Автоматизированная система управления компрессорной установки (125046)

Посмотреть архив целиком


ВВЕДЕНИЕ


Компрессорные машины - важные виды продукции машиностроения. Они применяются во многих отраслях народного хозяйства: химической, нефтяной, газовой и машиностроительной, на транспорте, в металлургии, геологии, строительстве, агропромышленном комплексе, а также - в новых перспективных направлениях техники и технологии, в частности, в космонавтике, робототехнике, производстве искусственного топлива и др. Сердцем любой холодильной и криогенной установки является компрессор. От эффективности и надежности его работы зависят КПД и долговечность комплекса в целом.

В настоящее время в России и в странах СНГ эксплуатируется свыше 500 тысяч промышленных компрессоров, которые вместе с вентиляторами и насосами потребляют около 20% вырабатываемой в стране электроэнергии. Производством и ремонтом компрессоров занято свыше 1 млн. человек. В связи с этим вопросы повышения технического уровня компрессоров и холодильных установок, в частности, их эффективности и надежности, имеют важное народнохозяйственное значение и поэтому являются основными в деятельности многих научно-исследовательских и конструкторско-технологических организаций, а также промышленных предприятий отрасли холодильного и компрессорного машиностроения.

Основными направлениями развития опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ являются:

  1. Дальнейшая разработка и создание гибких унифицированных рядов компрессоров общего назначения, на основе которых должны создаваться специальные компрессоры по единичным и малым заказам, совершенствование систем регулирования для расширения диапазона эффективной работы.

  2. Дальнейшая разработка и внедрение моноблочных и блочных компрессорных установок с максимальной степенью заводской готовности и установок с воздушным охлаждением, в том числе устанавливаемых на открытых площадках.

  3. Проведение мероприятий, направленных на экономию материальных и энергетических ресурсов путем повышения быстроходности компрессоров, совершенствования конструкций теплообменной аппаратуры, использования вторичных энергоресурсов, внедрения прогрессивных технологических процессов и новых материалов, в том числе пластмасс и керамики.

  4. Разработка на основе функциональных исследований новых принципов и схем сжатия и перемещения газов, в частности, водорода с использованием гидридов металлов, наддувных волновых компрессоров.

  5. Проведение работ по совершенствованию компрессоров путем организации рабочего процесса и конструкций машин на основе фундаментальных экспериментальных и теоретических исследований, математических моделей и подсистем САПР, создание комплексных математических моделей отдельных типов машин, описывающих рабочие процессы с учетом прочности и надежности конструкций и металлоемкости. Создание и внедрение норм расчета, оптимизированных программ экспериментальных исследований, стандартов на методы испытаний компрессоров и их элементов.

  6. Исследования и разработка мероприятий по уменьшению шума и вибраций компрессорного оборудования, по повышению его надежности, безопасности и экологичности.

  7. Завершение формирования испытательной базы для проведения сертификационных испытаний с целью максимального использования накопленного в компрессоростроении и холодильном машиностроении научно-технического потенциала и обеспечить их аккредитацию органам сертификации. Привлекать к работам по сертификации ведущих специалистов институтов, организаций, предприятий в области компрессоростроения и холодильного машиностроения.

  8. Ускорение создания системы стандартизации, внедрение единой классификации, терминологии и обозначений в области компрессоростроения и холодильного машиностроения с учетом международных стандартов.

  9. Разработка и создание стандартных и передвижных автоматизированных измерительных комплексов для проведения испытаний компрессоров в соответствии с типовыми методиками при одновременной обработке опытных данных с использованием ЭВМ. Разработка и внедрение типовых схем и программ измерений, увязанных с соответствующими датчиками, преобразователями сигналов, программами обработки и анализа опытных данных в ходе испытаний.

  10. Продолжение разработки и создание эффективных устройств очистки и осушки газов перед входом в компрессоры различных типов, а также антиобледелительных систем.

  11. Организация на предприятиях-изготовителях сервисного обслуживания выпускаемых машин и введение спецремонта компрессоров.

  12. Расширение работ по модернизации эксплуатируемого компрессорного оборудования с сохранением основных, особенно крупногабаритных элементов, и повышению основных технико-экономических характеристик с учетом требований эксплуатации.

  13. Продолжение работы по созданию систем охлаждения компрессорных установок и эффективного теплообменного оборудования, обеспечивающих решение вопросов снижения водопотребления и утилизации теплоты сжатия.

Большая часть парка компрессорного и холодильного оборудования в России и СНГ морально и физически изношена, требует в значительной части замены или модернизации. Поэтому в настоящее время более актуальной становится задача по ремонту и модернизации компрессорного и холодильного оборудования, в особенности крупного эксплуатируемого оборудования. При этом заказчик, как правило, выдвигает требования по частичному изменению параметров компрессора или установки в целом, с одновременным повышением критериев по надежности, безопасности, экономичности и экологичности.

В основном, компрессорные установки являются неотъемлемой составной частью большинства промышленных и общественных комплексов (химических, нефтеперерабатывающих, газовых, автомобильных, научно-исследовательских). Основная задача КУ – бесперебойное обеспечение объекта газовой смесью с заранее установленными параметрами. Следовательно отказ КУ приводит к простою всего комплекса или, как минимум, его большую часть, а это колоссальные убытки. Снижение расходов на обслуживание и продление межремонтного срока, а также упрощение диагностики неполадок в совокупности с повышением надежности, позволяет говорить о значительной выгоде связанной с применением новой системы управления вместо традиционной при модернизации существующих станций.

КУ требует постоянного контроля со стороны обслуживающего технического персонала, и предусматривает сохранение нормативных показателей работы основных узлов. Однако нестабильность нагрузки, которой подвергается КУ, приводит сокращению как общих часов наработки, так и межремонтных сроков эксплуатации оборудования. Внедрение новой линейки управляющих средств, так и исполнительных механизмов позволило значительно улучшить показатели надежности, ремонтопригодности и экономической выгоды КУ. В основном, применялось оборудование из семейства, прошедшего тестирование на подобных агрегатах и показавших себя наилучшим образом, с расширенными функциональными возможностями (расширение основной платформы интегрированных модулей, наличие сетевых узлов, оптимизация и упрощение программных компонентов), приемлемыми показателями точности измерений.



1. ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОМПРЕССОРНОЙ УСТАНОВКИ КОМПЛЕКСА ГИДРООЧИСТКИ МОТОРНОГО ТОПЛИВА (Л-24/6)


Компрессорная установка является неотъемлемой частью комплекса гидроочистки моторного топлива. Используемое оборудование должно отвечать нормам и критериям экологичности, безопасности, а главное, обоснованности применения в данной области. Система управления позволяет контролировать КУ, не загружая всю систему в целом, а лишь предоставляя отчет о ведение технологического процесса. Модульность построения архитектуры всего комплекса гидроочистки позволяет производить замену частей оборудования без остановки системы.

Общая характеристика комплекса

Установка гидроочистки Л-24/6 предназначена для удаления сернистых соединений из прямогонных дизельных фракций с содержанием серы до 2,0 %мас., керосиновых фракций с содержанием серы до 1,0 %мас., бензиновых фракций первичного и вторичного происхождения с содержанием серы до 1,0 %, вторичных фракций каталитического крекинга. На установке можно перерабатывать смесь первичных и вторичных дизельных фракций в соотношении 1:1 с содержанием серы до 1,5 %мас. (основное сырье).

Основные реакции каталитического гидрирования

Удаление примесей из нефтепродуктов происходит в результате частичной деструкции в основном сераорганических и частично кислородных и азотистых соединений в присутствии катализатора гидроочистки в среде водородсодержащего газа.

Продукты разложения насыщаются водородом с образованием сероводорода, воды, аммиака и предельных или ароматических углеводородов.

Кроме реакций взаимодействия сернистых, азотистых и кислородных соединений, в процессе гидроочистки протекают также реакции гидрокрекинга, насыщения олефинов, дегидрирования нафтеновых углеводородов, циклизации парафиновых углеводородов в нафтеновые (в области повышенных температур), гидрирования ароматических углеводородов при низких температурах и высоких давлениях.

Факторы, влияющие на ход процесса

В соответствии с механизмом протекания реакций гидроочистки моторных топлив скорость реакции зависит:

  • от химической природы сырья;

  • физических свойств сырья;

  • типа катализатора и его состояния;

  • парциального давления водорода;

  • объемной скорости;

  • конструкции реактора, например, от распределительного устройства газо-сырьевой смеси.

Поскольку скорость реакции является сложной функцией каждого из этих параметров и многие из них взаимосвязаны, очевидно, что количественно оценить влияние каждого параметра раздельно практически невозможно. Практически проанализировав параметры, выявим основные, которые будут наиболее важными при проектировании нашей системы.

1. Температура:

правильно выбранный интервал рабочих температур обеспечивает как требуемое качество, так и длительность безрегенерационного пробега и общего срока службы катализатора. Наиболее благоприятным для загруженных катализаторов является интервал рабочих температур 320 - 380 оС.

Рост степени обессеривания пропорционален повышению температуры до определенных пределов.

Каждый вид сырья имеет свой максимум температур, после которого увеличивается скорость реакций разложения и насыщения непредельных углеводородов по сравнению со скоростью реакций гидрирования сернистых соединений, в связи с чем уменьшается избирательность действия катализатора по отношению к сере и рост степени обессеривания замедляется, возрастает выход газа, легких продуктов и кокса. Увеличивается расход водорода и количество образовавшегося на катализаторе кокса.

Слишком занижать температуру также не следует, так как при этом значительно замедляется скорость реакций обессеривания.

2. Парциальное давление водорода:

повышение давления при неизменных прочих параметрах процесса вызывает изменение степени превращения в результате увеличения парциального давления водорода и углеводородного сырья и содержания жидкого компонента в системах, находящихся при давлениях и температурах соответственно выше и ниже условий начала конденсации.

Первый фактор способствует увеличению степени превращения, второй замедляет протекание реакции.

Увеличение давления в системе до уровня, превышающем давление начала конденсации, при неизменной температуре реакции способствует образованию жидкой фазы, что приводит к замедлению основных реакций процесса.

Сильное увеличение давления ухудшает сепарацию водородсодержащего газа и увеличивает потерю его с сухим газом.

Быстрое понижение давления может привести к повреждению катализатора.

Понижение давления без предшествующего понижения температуры может вызвать образование отложений кокса.

С ростом общего давления в процессе, при прочих равных условиях, растет парциальное давление водорода. Поскольку водород является одним из основных химических реагентов, то повышение его парциального давления ускоряет реакции гидрирования и способствует уменьшению возможности отложения кокса на катализаторе, что увеличивает его срок службы.

Суммарное влияние парциального давления водорода слагается из раздельных влияний:

  • общего давления,

  • концентрации водорода в циркуляционном газе,

Требование к содержанию водорода в циркулирующем газе определяется качеством сырья: прямогонные фракции очищаются при меньшей концентрации, крекинговые - при большей концентрации водорода.

С понижением концентрации водорода в циркуляционном газе несколько уменьшается безрегенерационный цикл работы катализатора.

  • отношения «водород: углеводородное сырье».

В промышленной практике объемное отношение «водород: сырье» (или кратность циркуляции) выражается отношением объема водорода при нормальных условиях к объему сырья.

С точки зрения экономичности процесса заданное отношение целесообразно поддерживать циркуляцией водородсодержащего газа. В этом случае большое влияние приобретает концентрация водорода в циркуляционном газе.

Увеличение отношения «циркуляционный газ: сырье» в значительной степени определяет энергетические затраты. Заметное возрастание скорости реакций при увеличении кратности циркуляции происходит только до определенного предела.

Описание технологической схемы комплекса

Технологическая схема комплекса состоит из следующих блоков:

а) реакторный блок и блок стабилизации первого потока;

б) реакторный блок и блок стабилизации второго потока;

в) блок очистки циркулирующего газа, газа стабилизации и регенерации МЭА.

Описание технологического цикла, в котором участвует компрессорная установка

Реакторный блок - 1 поток.

Исходное сырье - дизельное топливо из сырьевого парка по трубопроводу поступает на прием сырьевых насосов Н-1, 2. С выкида насосов сырье подается на щит смешения с циркулирующим водородосодержащим газом (ВСГ).

Постоянство расхода сырья в тройник смешения поддерживается автоматически регулятором расхода, клапан которого расположен на линии подачи сырья к щиту смешения.

Количество циркулирующего газа, подаваемого с выкида компрессоров ПК-1 (2) на щит смешения, контролируется по показаниям регистрирующего прибора. Сигнал на блокировку по уменьшению расхода циркуляционного водородсодержащего газа поступает от ОПС.

Температура циркуляционного водородсодержащего газа контролируется в САУ, от термопреобразователей, установленных на линии всасывания компрессоров ПК-1,2 и на линии нагнетания компрессоров ПК-1,2.

Давление на линии всасывания компрессоров ПК-1,2,3 контролируется в САУ, на линии нагнетания - манометрами.

Газосырьевая смесь из узла смешения поступает в межтрубное пространство теплообменников Т-1, 2, 3, 4, где нагревается до температуры 290оС за счет тепла газопродуктовой смеси. После теплообменников газосырьевая смесь поступает в печь П-1, где нагревается до температуры реакции 350-4250С.

Температура сырья на выходе из печи П-1 поддерживается автоматически клапанами-регуляторами температуры, которые установлены на линиях подачи топливного газа на форсунки.

Из печи газосырьевая смесь в газожидкостной фазе поступает в два последовательно работающих реактора Р-1, Р-2. Температура в зонах реакции контролируется по показаниям регистрирующих приборов поз.TI 1012, TI 1013, TI 1014, TI 1015, получающих импульсы от двух многозонных термопар в Р-1 и Р-2.

Газопродуктовая смесь выходит из последнего реактора с температурой 350 – 425 оС и направляется в трубное пространство теплообменников Т-4, 3, 2, 1. Из подогревателей Т - 4, 3, 2, 1 газопродуктовая смесь с температурой 1600С поступает в АВГ (секции 2, 3, 4, 5, 11, 12, 13, 14), где охлаждается до температуры 50оС и далее направляется в сепаратор высокого давления С-1.

В сепараторе С-1 при давлении до 42 кгс/см2 происходит разделение гидрогенизата и водородосодержащего газа.

Водородосодержащий газ, насыщенный сероводородом, поступает на очистку от сероводорода в абсорбер К-4.

Очищенный от сероводорода циркулирующий газ с верха абсорбера К-4 направляется на щит отдува и в сепаратор С-7, откуда забирается компрессорами ПК-1 (2) и вновь подается на щит смешения.

Избыток ВСГ сбрасывается со щита отдува в топливную сеть завода или на дежурные горелки ГФХ.

С целью уменьшения перепада давления между приемом и выкидом компрессоров ПК-1 (2) часть циркулирующего ВСГ с выкида компрессора перепускается через кожухотрубный холодильник Х-3. Подача свежего ВСГ предусматривается с установок 35/11-300, 35/11-600 в линию циркуляционного газа из К-4 в С-7 или в линию выхода газопродуктовой смеси из АВГ (секции 2, 3, 4, 5, 11, 12, 13, 14) в С-1. По отдельному трубопроводу в эти же линии осуществляется подача «свежего» ВСГ с установки 35/6.

Постоянство давления в системе реакторного блока поддерживается автоматически регулятором давления, клапан которого расположен на линии очищенного циркулирующего газа из К-4 на щит отдува.

Общие сведения о компрессорной установке, ее составе, назначении отдельных узлов и принципов построения автоматизированной системы


В состав стационарной компрессорной установки входят: поршневой крейцкопфный компрессор, электродвигатель, а также системы охлаждения, смазки, автоматического управления и защиты.

Компрессор:

поршневой крейцкопфный с оппозитным или угловым расположением цилиндров. Конструкции компрессоров построены на основе принятых, на заводе-изготовителе нормальных параметрических рядов диаметров цилиндров. Основой параметрических рядов являются оппозитная база 4M и угловые базы 5П и 2П, однако встречаются и специально разработанные системы для ориентированного производства типа 5ГЦ, 5РЦ.

Компрессор включает следующие основные узлы: базу, цилиндры, систему охлаждения и привод.

База:

состоит из унифицированных узлов кривошипно-шатунного механизма (коленчатого вала, шатуна и крейцкопфа), рамы, блока смазки механизма движения и многоплунжерного насоса (для смазки цилиндров и уплотнительных устройств штоков). В компрессорах без смазки многоплунжерный насос (смазочная станция) отсутствует.

Рама:

чугунная литая, коробчатой формы, с внутренними ребрами усиления. В верхней части рамы предусмотрены плотно закрываемые крышками люки, обеспечивающие доступ к деталям механизма движения. Нижняя часть рамы служит резервуаром для масла. На верхней части рамы установлен указатель уровня масла. Для крепления цилиндров компрессора к раме имеются специальные приливы. В отверстиях поперечных ребер рамы установлены крейцкопфные чугунные гильзы, служащие направляющими для крейцкопфов. Гильзы в случае износа могут быть повернуты или заменены новыми.

Коленчатый вал:

стальной штампованный, с кривошипами для установки шатунов, опирается на роликовые подшипники (для угловых баз коленчатый вал выполняется однокривошипным, для уравновешивания на вал устанавливаются противовесы). На одном конце коленчатого вала установлен ротор электродвигателя (соединение шпоночное), а в закрепленном на торце вала фланце выполнено квадратное отверстие для обеспечения проворачивания вала компрессора с помощью рукоятки перед запуском. (Рукоятка входит в комплект ЗИП). На другом конце вала крепится шестерня для передачи вращения валу масляного насоса блока смазки.

Крейцкопфы:

чугунные или алюминиевые литые или штампованные, изготовляются заодно с ползунами. Крейцкопф соединен со штоком закладной гайкой и контргайкой, законтренными стопорными болтами. С шатунами крейцкопф соединяется посредством пальца.

Пальцы крейцкопфов:

стальные, при сборке запрессовываются в крейцкопф и стопорятся пружинными кольцами.

Шатуны:

стальные штампованные двутаврового сечения. Шатун имеет кривошипную головку с отъемной крышкой и неразъемную крейцкопфную головку. Разъемные вкладыши кривошипной головки с антифрикционным слоем из алюминиевого сплава. В крейцкопфную головку запрессована бронзовая втулка. Смазка пальца крейцкопфа осуществляется через отверстие шатуна.

Крышка кривошипной головки шатуна соединяется со стержнем шатуна, двумя шатунными болтами легированной стали и гайками. На головке каждого шатунного болта указывается его начальная длина, необходимая для оценки остаточного удлинения болта за время эксплуатации.

Цилиндры:

в зависимости от схемы компрессорных машин могут быть одно-, двух- или трехступенчатыми, простого или двойного действия, с уравнительной полостью или без нее.

Одноступенчатые компрессоры имеют цилиндры двойного действия одинакового диаметра.

В двухступенчатых компрессорах установлены цилиндры двойного действия разного диаметра.

В трехступенчатых — цилиндр первой ступени двойного действия, цилиндры второй и третьей ступеней объединены в одном блоке, с дифференциальным поршнем и уравнительной полостью между ступенями.

В четырехступенчатых применяются два цилиндра с дифференциальным поршнем и уравнительной полостью. В пятиступенчатых в одном ряду установлен цилиндр с двумя, а в другом с тремя ступенями сжатия, при этом поршень первой ступени двойного действия.

В шестиступенчатых компрессорах установлены два цилиндра, каждый с тремя ступенями сжатия, цилиндры первой и второй ступеней — чугунные литые с охлаждающими рубашками.

Цилиндры последующих ступеней многоступенчатых компрессоров изготовлены из различных материалов в зависимости от рабочего газа и конечного давления, большинство имеют сменные рабочие гильзы из специального износостойкого чугуна, уплотняемые по диаметру резиновыми кольцами, а по торцу паронитовыми прокладками. Клапаны (всасывающие и нагнетательные): самодействующие пластинчатые кольцевые, прямоточные и ленточные закрепляются в гнездах нажимным стаканом и упорными болтами или нажимными шпильками с колпачковыми гайками. В ступенях высокого давления устанавливаются комбинированные клапаны, состоящие из всасывающих и нагнетательных клапанов.

Уплотнение:

цилиндров, люков, клапанных крышек и фланцевых соединений достигается применением паронитовых прокладок, а на ступенях высокого давления устанавливаются прокладки из мягкой (отожженной) меди.

Поршни:

из чугуна, алюминия или стали. На одно- и двух- ступенчатых компрессорах – дисковые, двойного действия, на многоступенчатых дифференциальные.

Поршневые кольца:

чугунные. В компрессорах без смазки цилиндров применяются кольца из самосмазывающихся композиционных материалов.

Штоки:

из углеродистой стали с поверхностным уплотнением.

Стандартная схема исполнения поршневого компрессора представлена на рис. 1.6.1



Рис.1.6.1 - Стандартная схема исполнения поршневого компрессора:

1 - головка блока цилиндров;2 - прокладка головки блока; 3 - блок цилиндров; 4 - шатун; 5 - картер; 6 - передняя крышка; 7 - шкив; 8 - шарикоподшипник; 9 - уплотнительная манжета; 10 - шпонка; 11 - шайба;12, 15 - прокладки; 13 - коленчатый вал; 14 - нижняя крышка картера; 16 - задняя крышка; 17 - уплотнитель; 18 - пружина уплотнителя; 19 - седло; 20 - нагнетательный клапан; 21 - пружина клапана;




Основные виды привода компрессора в данной области

Пуск осуществляется от электродвигателя, ротор которого насаживается на вал компрессора, а статор крепится к раме компрессора.

В зависимости от базы компрессора сжимаемого агента (воздух или различные газы) применяются следующие электродвигатели:

1) Воздушные компрессоры на базе 4М

  • двухскоростного асинхронного электродвигателя А2К 85/24-8/16 160/75 кВт, 750/375 об/мин (синхр.), 380 В, 50 Гц.

Пуск двигателя осуществляется при полном напряжении сети при разгруженном компрессоре.

Переход из состояния покоя на частоту вращения 6 с-1 (360 об/мин) – ступенчатым переключением обмотки статора.

Двигатель допускает два пуска подряд на частоту вращения 6,17 с" (370 об/мин) из холодного состояния или один пуск из горячего. Количество пусков в час не более пяти и интервалом не менее 12 мин. Общее количество пусков в год не более 10000. Количество изменений частоты вращения не более 20 в час с интервалом не менее 3 мин.

2) Воздушные компрессоры на базе 5П:

  • синхронного бесщеточного электродвигателя

БСДКМ 15-21-12200 кВт, 500 об/мин, 380 В, 50 Гц;

  • асинхронного электродвигателя АСК 560-12200 кВт, 500 об/мин, 380 В, 50 Гц;

3) Воздушные компрессоры на базе 2П:

  • асинхронного электродвигателя АВ2-101-8 75кВт, 735 об/мин, 380 В, 50 Гц;

Газовые компрессоры на базах 4М, 5П, 2П, 5ГЦ комплектуются электродвигателями во взрывозащищенном продуваемом исполнении «2ExpllTS» (H4TS-П) с аналогичными характеристиками.

Все электродвигатели комплектуются пусковой аппаратурой.

Условные обозначения.

Условное обозначение компрессоров отражает основные характеристики и параметры машины:

Для компрессоров на оппозитной базе 4М

цифра «2», стоящая непосредственно перед буквами «ВМ», «ГМ» и «НП», указывает на то, что компрессор двухрядный;

буквы «ВМ», «ГМ» и «НП» означают, что компрессор предназначен для сжатия воздуха, водорода или невзрывоопасного газа и выполнен на оппозитной базе;

цифра «4», стоящая после букв «ВМ», «ГМ» и «НП», указывает номинальную нагрузку на шток в «тс»;

за цифрой «4» дробью указаны производительность в м3/мин (числитель) и конечное абсолютное давление сжатия в кгс/см' (знаменатель), Для дожимающих компрессоров в знаменателе указываются давления всасывания нагнетания, абс., кгс/см2;

буква «С» означает, что компрессор выполнен без смазки цилиндров и относительная влажность сжимаемого газа должна быть не менее 30%;

«M1», «М2» означает порядковый номер или модернизации.

Буква «С», стоящая непосредственно перед буквами «ГМ» и «НП», указывает на то, что относительная влажность сжимаемого газа не более 30%.

Например: 2СНМ4-24/9CM2 УХЛ4 компрессорная установка двухрядная, для сжатия нейтрального газа относительной влажностью менее 30%, оппозитная, с усилием на штоке поршня 4 тс, производительностью 24 м3/мин, абсолютным конечным давлением 9 кгс/см', работает без смазки цилиндров и уплотнительных устройств, модернизированная.

Климатическое исполнение компрессорной установки — УХЛ4 по ГОСТ 15150-69.

Для компрессоров на угловых базах 5П и 2П:

буквы «ВП» или «ГП» указывают, что компрессор предназначен для сжатия воздуха («В») или газа («Г») и выполнен по прямоугольной схеме («П»);

цифры «2» и «5», стоящие непосредственно перед буквами «ВП», указывают номинальную нагрузку на шток в «тс»;

за буквами «ВП» или «ГП» дробью указаны производительность в м'/мин (числитель) и избыточное конечное давление нагнетания в кгс/см2 (знаменатель);

цифра, стоящая первой, указывает порядковый номер модификации.

Смазка компрессоров:

осуществляется двумя независимыми системами:

  • системой смазки низкого давления (циркуляционной) для подачи масла к механизму базы;

  • системой смазки высокого давления для подачи масла в цилиндр

    1. Система смазки низкого давления:

масло заливается в нижнюю часть рамы компрессора. Оттуда через сетчатый фильтр грубой очистки, расположенный в начале масловсасывающей трубы, шестеренчатым насосом подается в блок смазки и далее через напорную трубу во внутренний канал коленчатого вала, который имеет подводы масла на рабочую поверхность кривошипных шеек и к шатунам. Для предотвращения подтекания масла из рамы компрессора на подшипниках коленчатого вала устанавливаются уплотнительные устройства. Масло заливается в раму через одну из люковых крышек; уровень его измеряется стержневым маслоуказателем. Для слива масла из рамы предусмотрен сливной кран.

    1. Система смазки высокого давления:

Привод многоплунжерного насоса осуществляется от ведущего валика шестеренчатого насоса блока смазки механизма движения. Масло, пройдя через плунжерный насос, поступает к отверстиям в крышках и гильзах цилиндров, равномерно распределяется по поверхностям трения, обеспечивая смазку.

Контроль подачи масла к цилиндрам через смотровое окно насоса. Для смазки механизма движения могут применяться масла марок И-50А (ГОСТ 20799-75) и MC-20 (ГОСТ 21743-76) К-310 TУ38.401479-84; ИГП-49 ТУ38.101413-90; для цилиндров и уплотнительных устройств масло К-12, К-19 ГОСТ 1861-73 и MC-20 в зависимости от марки компрессора.

В компрессорах без смазки цилиндров система смазки высокого давления с подачей масла в цилиндры и к уплотнительным устройствам не предусмотрена, На таких компрессорах лубрикаторы отсутствуют. Поршни этих компрессоров имеют опорные и разрезные (из двух половин) кольца из самосмазывающихся материалов на основе фторопласта с различными наполнителями.

В компрессорах, предназначенных для сжатия воздуха и влажных газов, поршневые кольца выполняются из фторопласта 4К20. Если давление сжимаемого газа до 0,8 МПа (8 кгс/см'), допускается изготовление колец из материала АФГ-80С, при работе с осушенными газами применяется фторопласт с графитом и дисульфидом молибдена АФГМ или ГФЭ-5м.

Для предотвращения попадания масла из рамы в полость сжатия, каждый цилиндр в компрессорах без смазки цилиндров снабжен фонарем, маслослизывающим уплотнительным устройством, маслоотбойником и маслослизывающими кольцами.

Охлаждение компрессоров:

водяное. Компрессоры поставляются с открытой системой охлаждения (слив воды из компрессора и газоохладителей с разрывом струи через сливные воронки).

При эксплуатации компрессоров с закрытой системой охлаждения должны выполняться требования «Правил устройства и безопасной эксплуатации стационарных компрессорных установок, воздуховодов и газопроводов», утвержденных Госгортехнадзора РФ от 5 июня 2003 г. N 60, для воздушных компрессоров и «Правил устройства и безопасной эксплуатации компрессорных установок с поршневыми компрессорами, работающими на взрывоопасных и вредных газах», ПБ 09-297-03 для газовых компрессоров.

Качество охлаждающей воды должно соответствовать требованиям вышеназванных правил.

Система автоматики:

предназначена для управления работой, защиты и контроля параметров компрессорных машин.

Система автоматики состоит из ряда подсистем и в совокупности с электроприводом в зависимости от предназначения компрессорных машин (для сжатия воздуха или газа) осуществляет аварийное прекращение работы компрессорной установки с остановкой приводного электродвигателя;

1) в компрессорных установках для сжатия газа:

а) при понижении давления воды в системе охлаждения компрессора;

b) при коротких замыканиях и повреждениях в системе электропривода и управления;

с) при падении давления масла в циркуляционной системе смазки механизма движения;

d) при отклонениях давления газа от допустимых значений на линии всасывания;

е) при повышении давления газа выше допустимого после каждой ступени сжатия;

f) при прекращении продувки воздухом корпуса электродвигателя;

g) при повышении давления газа выше допустимого в корпусе компрессора.

Аварийное отключение электродвигателя компрессоров сопровождается подачей светового и звукового сигналов.

В системе автоматики компрессорных машин для сжатия газа предусмотрена дистанционная пневматическая передача показаний контролируемых параметров на приборы релейного шкафа. Расстояние передачи выходного сигнала на пневмотрассе не более 200 м.

Кроме того, системы автоматики компрессоров отличаются в зависимости от модификации функциональными возможностями и элементной базой (релейной, микроэлектронной, микропроцессорной).

Системы автоматики выпускаются в климатическом исполнении У при эксплуатации в помещении для изделий 4 ГОСТ 15150-69.



Технические параметры режима работы компрессорной установки


Таблица 1.1

Наименование показателей режима

Единица измерения

Допустимые пределы технологических параметров

Требуемый класс точности измерительных приборов

ГОСТ 8.401-80

Примечание

Давление масла на ПК-1

кгс/см2

1,2 – 3,0

1,0

Регистр.

Давление воды на охлаждение масла

кгс/см2

1,0 – 3,0

1,0

Регистр.

Температура газа на приеме ПК -1

0С

110

0,5

Регистр.

Температура подшипников, не более ПК-1

0С

65

1,0

Регистр.

Давление воздуха на обдув электродвигателя компрессора

Мм.вод.ст.

20 - 40

1,0

Регистр.

Перепад давления между приемом и выкидом, не более


1,8

1,0

Регистр.

Расход циркуляционного газа

Нм3/час

20000 - 40000

1,0

Регистр.

Температура газа на нагнетании ПК-1

0С

110

0,5

Регистр.

Показатели режима



Таблица 1.2
Краткая характеристика технологического оборудования

Наименование оборудования

(тип, наименование аппарата, назначение)

Номер

позиции прибора

по схеме, индекс

Кол-во, шт.

Материал

Техническая характеристика

Ресивер азота высокого давления на приеме компрессоров. Вертикальный, цилиндрический аппарат, пустотелый, со сферическими днищами

Б-2

1

Ст. 20

Расчетное давление - 64 кгс/см2

Расчетная температура - 40оС

Диаметр – 1000 мм Высота - 4000 мм

Объем - 4 м3

Сепаратор на приеме ПК. Горизонтальный, цилиндрический, пустотелый аппарат со сферическими днищами

С-7

С-5

2

Ст.20

Расчетное давление - 50 кгс/см2

Диаметр –2000 мм Длина – 7400 мм

Объем -20м3

Компрессор для циркуляции ВСГ

ПК-1

3

Сборный

Марка 5Г-600-42/60 Расход -36000м3/час

Давление на приеме -42кгс/см2

Давление на выкиде -60кгс/см2

Мощность ЭД –840 кВт

Число оборотов -167 об/мин Исп. ВЗГ

Холодильник циркуляционного газа. Горизонтальный, цилдиндр кожухотрубный аппарат, одноходовой по трубному и межтрубному пространству

Х-3

Х-4

2

Ст.3

Расчетное давление в корпусе -60кгс/см2, в трубках - 3 кгс/см2 Температура в корпусе - 60оС, в трубках - 40оС

Диаметр корпуса - 425 мм

Длина - 6877 мм

Таблица 1.3
Перечень блокировок и сигнализации

Наименование

параметра

Наименование

оборудования

Величина устанавливаемого параметра

Блокировка

Сигнализация

Операции по отключению, переключению и другому воздействию

Температура газа нагнетания ПК-1

ПК-1


110 0С


120 0С


110 0С

Звуковая и световая сигнализация.

Отключение ЭД компрессора ПК-1

Температура подшипников ПК-1

Подшипники ПК-1


60 0С



65 0С


60 0С

Звуковая и световая сигнализация.

Отключение ЭД компрессора ПК-1

Давление масла к ПК-1

ПК-1

0,15 МПа


0,12 МПа


0,15 МПа


Звуковая и световая сигнализация.

Запрет пуска

Отключение ЭД компрессора ПК-1

Давление охлаждающей воды к ПК-1

ПК-1

0,12 МПа


0,1 МПа


0,12 МПа


Звуковая и световая сигнализация.

Запрет пуска

Отключение ЭД компрессора ПК-1

Давление воздуха под кожухом ПК-1

ПК-1

0,25 МПа


0,2 КПа


0,25 КПа


Звуковая и световая сигнализация.

Запрет пуска

Отключение ЭД компрессора ПК-1

Перепад давления на ПК-1

ПК-1


1,8 МПа


2,0 МПа


1,8 МПа

Звуковая и световая сигнализация.

Отключение ЭД компрессора ПК-1

Давление ВСГ на всасе ПК-1

ПК-1

1,5 МПа


0,5 МПа


1,5 МПа


Звуковая и световая сигнализация.

Запрет пуска

Отключение ЭД компрессора ПК-1




Контрольно-измерительные приборы


Для визуального наблюдения рабочего состояния компрессорной установки непосредственно на контрольных точках установлены дисплеи, отображающие значения измеряемых величин:

  • Датчики давления оснащены ЖК панелями, на которых выводятся параметры, контролируемые операторами;

  • Местные терморезистивные датчики по желанию заказчика оснащаются дисплеями и функциональным полем.

  • Датчики вибрации и система слежения состояния вала компрессора не имеют средств отображения параметров, однако на них размещены световые индикаторы отслеживания параметров.




2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КУ


Распределенная автоматизированная система управления (РСУ) технологическим процессом компрессорной представляет собой совокупность технических средств, предназначенных для мониторинга и управления технологическим процессом. Базовым техническим средством данной системы управления является многоконтурный контроллер DeltaV серии M5+.

Верхний уровень данной РСУ представляет собой операторскую станцию на основе персонального компьютера с программным обеспечением DeltaV.

К основным функциям операторской станции можно отнести: мониторинг технологических параметров, управление, возможность записи и хранения истории по важным технологическим параметрам, организация оповещающей сигнализации, фиксации команд оператора и оповещающей сигнализации в журнале событий, возможность отображения истории параметров в виде графиков, организация технологических отчетов, также ряд других сервисных функций.


2.1 Структура системы управления


АСУ ТП предназначена для выполнения следующих задач:

  • Автоматизированного контроля и управления в реальном масштабе времени технологическим процессом сжатия и транспортировки газа, а также поддержание его на регламентированном уровне;

  • Обеспечение высокого уровня безопасности технологического процесса:

  • Постоянство анализа динамики изменения параметров в сторону критических значений и прогнозирование возможных аварийных ситуаций;

  • Проведение операций безаварийного пуска, останова и всех необходимых для этого переключений;

  • Действий средств управления и проектируемых автоматизированных защит, прекращающих развитие аварийных ситуаций;

  • Система управления реализовывает непрерывный контроль за состоянием и режимами работы технологического оборудования и агрегатов, предупредительную и аварийную сигнализацию при отклонении режимных параметров от регламентированных норм и установок, дистанционное управление исполнительными механизмами, противоаварийную защиту технологического оборудования и объектов, расчет технико–экономических показателей, архивирование информации, формирование и печать технологических протоколов, аварийных сообщений и отдельных документов.

АСУ ТП компрессорной установки представлена как иерархическая система оперативного контроля и управления, располагающаяся в центральной операторной.

Иерархическая структура АСУ ТП обеспечивает следующие уровни управления:

  • Уровень оперативно-производственной службы (ОПС) – верхний уровень АСУ ТП;

  • Уровень системы автоматизированного управления (САУ) технологическими объектами – нижний уровень АСУ ТП;

Уровень оперативно-производственных служб

Уровень оперативно-производственных служб предназначен для:

  • Формирования человека -машинного интерфейса;

  • Регистрации и визуализации состояния технологических объектов;

  • Управление в реальном масштабе времени;

  • Сигнализация отклонения параметров технологического процесса от регламентных предупредительных и предаварийных границ;

  • Дистанционное управление исполнительными механизмами и электроприводами агрегатов;

  • Регистрации в базе данных, архивирования событий и изменения значений технологических параметров;

  • Формирование и печати технологических сводок, учетных и отчетных документов.

На данном уровне оперативно-технологическим персоналом, с использованием аппаратно-программных средств АСУ ТП, осуществляется оперативный контроль за текущим состоянием и режимами работы основных и вспомогательных технологических процессов, а также выдача установок по регулированию технологических параметров.

Уровень системы автоматизированного управления

Технологическими средствами данного уровня осуществляется автоматический контроль и управление процессами, поддержание заданных режимов работы, аварийная защита оборудования; и обмен информацией с вышестоящим уровнем.

На данной уровне обеспечивается реализация следующих функций:

  • Измерение технологических параметров;

  • Автоматическое управление режимами работы технологического оборудования;

  • Управление исполнительными механизмами;

  • Контроль безопасности и аварийная защита технологического оборудования.

АСУ ТП включает в себя функционально выделенную систему противоаварийной автоматической защиты (ПАЗ). Система ПАЗ обеспечивает распознавание аварийной ситуации (выход за аварийные пределы технологических параметров) и автоматический перевод технологического оборудования в безопасное состояние. Отработка алгоритмов ПАЗ сопровождается формированием и выдачей оперативно-технологическому персоналу световой и звуковой сигнализации. Основная схема, реализующая данный алгоритм представлена на рис. 2.1


























Рис. 2.1 - Логическая схема блока сигнализации и разрешения на пуск компрессора ПК-1


Функционально выделенная система ПАЗ находится в состоянии ожидания на любом этапе пуска, работы и остановки компрессора, в результате чего, перевод системы на безопасный режим осуществляется независимо от состояния системы при условии наличия критического порога, основные параметры которого сведены в таблицу 1.3. Ввиду сложности и большой динамики технологического процесса большое внимание уделяется надежности системы.


2.2 Надежность системы ПАЗ обеспечивается:


  • Аппаратным резервированием (дублированием);

  • Временной и функциональной избыточностью;

  • Наличием систем диагностики и самодиагностики;

  • Охранными порогами перехода системы.

Для обеспечения бесперебойной работы оборудования АСУ ТП электроснабжение производится через источник бесперебойного питания (ИБП). ИБП обеспечивает функционирование системы до переключения фидера питания или на время необходимое для перевода технологического объекта в безопасное состояние.

Применение искробезопасных барьеров защиты при работе современных систем АСУ ТП, работающих на объектах с взрывоопасными средами и построенных на электронных средствах контроля и измерения, является необходимым условием, т.к.: при обрывах в цепях измерений сигналов 4-20мА уровень напряжения в цепи датчика будет равным напряжению источника питания, что витиевато возникновением пожара. Поэтому для искробезопасных барьеров устанавливается порог срабатывания равным 24В. При превышении уровня 24В напряжения источника питания возникает ток утечки в диапазоне 0-4мА, дающий ложный сигнал целостности цепи.

Для предотвращения этого в систему, контролирующую обрыв в цепи датчиков сигналов 4-20мА, напряжение источника питания цепи датчика устанавливать ниже порога защиты срабатывания искробезопасных барьеров защиты на 0,2-0,3В или устанавливать последовательно в цепь источника питания диод. Выбор диода и схема подключения может быть реализован, исходя из рис. 2.2


Рис. 2.2


САУ КУ должна удовлетворять требованиям безопасности, охраны труда и производственной санитарии в соответствии с ГОСТ 12.2.003 и Законом РФ «Об охране труда».

Электрооборудование САУ КУ должно отвечать требованиям «Правил устройства электроустановок», «Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок до 1000В», ГОСТ12.2.007.0 и ГОСТ12.2.007.1.

Оборудование САУ КУ должно иметь специальные болты для подключения к системе заземления (см. п.п. 7.2). Заземляющие болты должны иметь маркировочный знак по ГОСТ 2.751.

Сигнальные цвета, размеры, форма и цвет знаков безопасности должны соответствовать ГОСТ 12-4.026.




2.3 Определение основных задач синтеза системы управления КУ


В соответствии с параметрами режима работы, указанных в таблице 1.1, выделим основные задачи управления КУ. Для упрощения логической схемы системы управления весь цикл работы был разбит на функциональные модули, в каждом из которых выполняются свои операции и регистрируются нормативные значения технологических параметров. Весь цикл работы сводится к соблюдению режимов переключения между модулями.

Рассмотрим каждый из них отдельно.

1. Алгоритм пуска компрессора

Пуск компрессора 5ГЦ осуществляется подачей электропитания на электродвигатель. Поэтому данным алгоритмом "Пуска компрессора" предусматривается выполнение всех необходимых операций подготовки к пуску, контроль предпусковых параметров и условий и выдача на "верхний уровень" в систему управления компрессорной установкой сигнала о готовности компрессора к пуску: "Компрессор к пуску готов".

Если хотя бы один параметр или условие не удовлетворяют предпусковым требованиям, сигнал "Компрессор к пуску готов" не должен формироваться. Сигнал о готовности компрессора к пуску должен быть сформирован системой КиПа в виде "сухого контакта", выдаваемого на "верхний уровень", с одновременным выводом на дисплей компьютера надписи "Компрессор к пуску готов" вместо надписи "Подготовка компрессора к пуску".

1.1 Сигнал "Компрессор к пуску готов" должен формироваться при выполнении следующих предпусковых требований:

1.1.1 Давление газа на входе в стойку управления (РТ1), изб., не менее 6,2 кгс/см2;

1.1.2 Давление масла в напорном коллекторе (ВР108), изб., не менее 1,5 кгс/см2;

1.1.3 Температура масла в напорном коллекторе (ВК2), не более 450С.

1.2 В процессе подготовки компрессора к пуску система КиПа должна производить пуск основного маслонасоса при выполнении следующих условий:

При не выполнении хотя бы одного из этих условий система КиПа не должна позволять пуск маслонасоса (блокировать пуск маслонасоса) и должна выводить на дисплей оператора сигнал "Запрет пуска маслонасоса по РТ4 менее 1,5 кгс/см2.

Выбор основного насоса осуществляется путем считывания часов наработки каждого из насосов и включение потока, переключающим цепи управления маслонасосами (выбор осуществляется только при неработающих маслонасосах).

При включении маслонасоса на мнемосхеме должна загораться световая индикация о его включении.

1.3 Момент начала пуска компрессора фиксируется по сигналу из САУ компрессорной установки в виде "сухого контакта" или по достижению частоты вращения ротора значения 300 об/мин. В процессе пуска система КиПа должна контролировать параметры в соответствии с таблицей 1.1 с записью их в память на жесткий диск компьютера и указанием времени пуска. Нормальный пуск (без применения тиристорной системы управления эл. приводом) осуществляется в течении 830 секунд, с момента начала пуска и до выхода на номинальный режим по частоте вращения ротора. На это время уставки на срабатывание предупредительной сигнализации и аварийной защиты должны программно удваиваться по следующим параметрам:

  • радиальное виброперемещение шеек ротора (S1B, S1Г, S2B, S2Г);

  • осевой сдвиг (OS1, OS2).

1.4 Окончание пуска компрессора и выход его на номинальный режим работы фиксируется системой КиПа по достижению частоты вращения ротора (n) значения 8412 об/мин.

По окончании пуска на дисплей оператора должна выводиться надпись "Работа компрессора".

1.5 При срыве пуска, когда зафиксировано начало пуска по достижению частоты вращения ротора значения 300 об/мин, а фиксации окончания пуска по достижению частоты вращения ротора значения 8412 об/мин не происходит, возможны два варианта развития событий:

  1. частота вращения ротора достигла значения 010 об/мин. Это означает, что произошел останов компрессорной установки и система КиПа должна отреагировать по алгоритму аварийного останова;

  2. частота вращения ротора "зависла" между значениями 0 и 8412 об/мин. Система КиПа должна работать по алгоритму "Пуск компрессора", т.е. ожидать фиксации окончания пуска или аварийного останова.

Вывод: из анализа алгоритма следует, что успешное начало работы зависит как от межмодульных параметров, так и характеристик самой системы (в основном, системы охлаждения и пусковых элементов двигателя).

2. Алгоритм нормальной работы компрессора

В процессе нормальной работы компрессора система КиПа контролирует значения параметров, представленных в таблице 1.1 к настоящим алгоритмам, и обеспечивает возможность вывода текущего значения любого параметра на дисплей в виде графика, в т.ч. группового, и в виде таблицы текущих значений параметров по соответствующей команде оператора.

Через каждые 8 (12) часов работы компрессора система КиПа должна автоматически записать значения контролируемых параметров в память на жесткий диск компьютера.

В процессе работы компрессора система управления должна производить включение резервного маслонасоса в случае снижения давления масла в напорном коллекторе (ВР108) до значения 1,4 кгс/см2 изб. и выключение его при достижении давления ВР108 значения 2,0 кгс/см2.

Сигналом для включения резервного маслонасоса может быть и отключение основного маслонасоса (например: сработала защита эл. привода маслонасоса по перегрузке). В этом случае должен тут же включиться резервный насос. Включение резервного маслонасоса должно происходить по возможности быстрей для того, чтобы не успела сработать аварийная защита по давлению масла в напорном коллекторе.

Однако при срабатывании должна включиться световая и звуковая сигнализация в операторном помещении. Если сработала сигнализация по нескольким параметрам одновременно или последовательно, то каждая из них записывается в своей строке.

При возвращении значения параметра в пределы нормы световая и звуковая сигнализация должны отключиться.

3. Алгоритм нормального останова компрессора

Нормальный останов компрессора, как и пуск, производится независимо от состояния компрессора и системы управления отключением эл. питания привода.

Начало нормального останова может быть зафиксировано по сигналу из САУ компрессорной установки в виде "сухого контакта" или по уменьшению частоты вращения ротора (n) на 10% от номинального значения, т.е. по достижению значения 7570 об/мин. При фиксации начала процесса нормального останова должны быть удвоены уставки на срабатывание предаварийной сигнализации и аварийной защиты по вибрационным параметрам компрессора: радиальному виброперемещению шеек ротора (S1B, S1Г, S2B, S2Г) и осевому сдвигу (OS1, OS2. В процессе нормального останова система управления должна контролировать все параметры в соответствии с таблицей 1.1 с записью их в память на жесткий диск компьютера с указанием времени останова. Запись значений параметров в память должна прекращаться по достижению нулевой частоты вращения ротора (010 об/мин). С 5 минутной задержкой после прекращения вращения ротора должен автоматически отключиться работающий (основной или резервный) маслонасос.

Процесс останова компрессора может считаться законченным, если маслонасос отключен, давление масла в напорном коллекторе (ВР108) равно 00,05 кгс/см2

4. Алгоритм аварийного останова компрессора

Аварийный останов компрессора может производиться по двум причинам:

  1. по параметрам, не входящим в состав системы управления компрессора (параметры компрессора не выходят за пределы нормы);

  2. по одному или нескольким параметрам компрессора, входящим в систему управления компрессора, значения которых вышли за пределы аварийных уставок (защит).

Аварийный останов по первой причине производится в точном соответствии с алгоритмом нормального останова.

При срабатывании аварийной защиты по параметру компрессора система управления должна выдать на "верхний уровень" (в САУ установки) сигнал в виде "сухого контакта" на аварийный останов компрессора (на отключение питания эл. привода), включить световую и звуковую сигнализацию в операторном помещении

В остальном аварийный останов производится по алгоритму нормального останова с дополнением при записи параметров в память причины останова (с указанием параметра, по которому сработала защита).


2.4 Временные параметры управления


Система управления должна постоянно контролировать свое собственное состояние и работоспособность отдельных элементов: датчиков, вторичных приборов, блоков питания и т.д. и при необходимости выдавать на дисплей оператора соответствующую информацию.

Алгоритм самодиагностики системы управления разрабатывается в соответствии функциональными нормами, временными характеристиками и из соображения безопасности.

Частота опроса датчиков должна составлять:

  • для виброаппаратуры серии ТХ 3654 – 10 000 раз в секунду;

  • для датчиков давления Rosemount – не менее 12 раз в секунду;

  • для датчиков температуры – не менее 1 раза в секунду;

Частота смены значений параметров на дисплее, в таблице параметров и на групповых графиках – один раз в секунду.

При отказе любого одного датчика на дисплей оператора (в правом нижнем углу) должна выводиться информация в табличном виде об отказе соответствующего датчика и должна включаться предупредительная сигнализация (световая и звуковая).


2.5 Особенности характеристик систем управления


Основным направлением в регулировании потока систем подобного типа является иерархическая завершенность, или обоснованность совмещения оборудования. Данный принцип позволяет пренебречь значениями факторов, оказывающее значительное воздействие на систему. Основные критерии принципа сводятся к разработке системы пуска и поддержания параметров:

  1. Регулирование нагнетателей путем изменения частоты вращения Механизм регулирования давления (напора) и подачи компрессора при изменении характеристик сети показан на рис. 2.5.1. Если необходимо обеспечить регулирование напора и его стабилизацию в соответствии с заданным значением HЗ при произвольном изменении характеристик сети от 1 до 3 (см. рис. 2.5.1, а), то выполняют измерение давления в магистрали и с помощью регулятора давления автоматически меняют частоту вращения компрессора (от ω1 до ω2) так, чтобы давление оставалось постоянным. При этом характеристики компрессора изменяются от 1! до 3'. Расход компрессора меняется от QA до QС. Точки А, В, С, на характеристиках компрессора 1!, 2', 3' являются рабочими точками при разных сопротивлениях магистрали, соответствующих характеристикам сети 1, 2, 3. При изменении заданного значения Н3 будут соответственно меняться характеристики и параметры компрессора.

Рис. 2.5.1


Компрессорные агрегаты обычно объединяются в компрессорные станции, при этом несколько компрессоров работает параллельно на одну сеть.

Регулирование подачи компрессорной станции изменением частоты вращения компрессоров, имеющих различные характеристики, иллюст­рируется рис. 2.5.2.







Рис. 2.5.2

Если два компрессора с суммарной характеристикой 2 работают на сеть с характеристикой 1 в точке А с производительностью QA и необходимо уменьшить их производительность до QA', то это можно сделать двумя способами: уменьшить частоту вращения обоих компрессоров (их характеристики 3 и 4 и суммарная характеристика 2') или снизить, но более значительно, частоту вращения одного из компрессоров (характеристика 5 при сниженной частоте вращения). Регулирование производительности изменением частоты вращения одновременно двух компрессоров по своим показателям равноценно регулированию частоты вращения компрессора при его одиночной работе.

С точки зрения экономичности регулирования более выгодным является одновременное изменение частоты вращения всех параллельно работающих компрессоров. Однако это связано с увеличением капитальных затрат на оснащение всех агрегатов регулируемым электроприводом. Поэтому для компрессорных станций достаточно иметь только один регулируемый агрегат и осуществлять более глубокое регулирование отключением отдельных компрессоров.

Ряд применяемых компрессоров, не требует регулирования скорости: подавляющее большинство заводских компрессорных установок и др. Поэтому для них используют асинхронные или синхронные (обычно при мощностях свыше 300 кВт) двигатели переменного тока, управление которыми осуществляется магнитными или бесконтактными пускателями (при малых мощностях), стандартными или специальными пусковыми станциями. Для асинхронных и синхронных двигателей такие станции предусматривают прямой, реакторный и автотрансформаторный способы пуска.

2. Совместная работа нагнетателей

В состав технологических схем подачи, как правило, несколько нагнетателей. Совместная работа нагнетателей в большинстве случаев вызвана следующими причинами:

  • один нагнетатель не может обеспечить требуемую подачу или давление, а замена его другим, более мощным, невозможна;

  • в процессе эксплуатации в соответствии с требованиями техно­логического процесса возникают режимы, связанные с продолжительным изменением расхода и сопротивления сети (изменение режима осуществляется отключением одного из нагнетателей);

  • требуется обеспечить надежность работы всей системы в целом;

  • архитектурно-планировочные решения зданий приводят к со­зданию сложных разветвленных сетей, для регулирования которых с наибольшей эффективностью требуется установка нескольких нагнетателей.

Включение нагнетателей в совместную работу может быть па­раллельным, последовательным и смешанным (комбинированным).

3. Параллельное включение нагнетателей

Параллельное включение двух и большего числа нагнетателей рекомендуется тогда, когда требуется увеличение подачи, а соответствующее увеличение частоты вращения рабочего колеса или размеров нагнетателя невозможно из-за чрезмерного усиления шума, конструктивных или архитектурно-планировочных причин.

Известны три основные схемы параллельного включения нагнетателей: полностью параллельное включение (рис. 2.5.3, а) и полупараллельное включение по схемам, показанным на рис. 2.5.2, б и в.

На рис. 2.5.3 в сеть включены нагнетатели с одинаковыми характеристиками. Для упрощения анализа пренебрежем сопротивлением индивидуальных участков сети (участки 1 - 2). В этом случае, как и в случае любого совместного включения, главным является определение режима работы не только всей системы в целом, но и каждого из нагнетателей. Функциональная зависимость давления нагнетателя от его подачи сложна и чаще всего задается графически в виде характеристики P=f(L), поэтому наиболее простой способ анализа – графический. Обычно применяют метод суммарной характеристики нагнетателей.








Рис. 2.5.3


Давления, создаваемые каждым нагнетателем в точках 1 и 2, одинаковы, а общая подача равна сумме подач отдельных нагнетателей. Отсюда следует правило построения суммарной характеристики параллельно включенных нагнетателей: при одинаковом давлении нужно сложить подачи.

Построение суммарной характеристики давления показано на рис. 2.5.4. Абсциссы а, представляющие собой подачу одного нагнетателя, суммируются при каждом значении давления. При включении нагнетателей в сеть с характеристикой (1 + 1) режим работы определяется точкой А. При этом суммарная подача нагнетателей определяется величиной LA(1+1) а суммарное давление - величиной Р1(1+1), при этом Р1(1+1) = РА(1+1), т.е. давление, создаваемое каждым нагнетателем при совместной работе, равно суммарному давлению. Подача каждого нагнетателя составляет половину общей и может быть определена графически по положению точки А", т. е. L1(1+1) = 0.5LА(1+1) = LA. КПД обоих нагнетателей равен КПД каждого из них и определяется пересечением ординаты, проходящей через точку А", с характеристикой КПД нагнетателя. Пересечение этой ординаты с характеристикой мощности определяет затраты мощности каждым нагнетателем. Суммарные затраты мощности равны сумме мощностей отдельных нагнетателей: NA(l +1) = 2N1(1+1).

Рис. 2.5.4


При отключении одного из нагнетателей характеристика сети P(L(1)) становится круче вследствие уменьшения площади поперечного сечения для прохода воздуха между точками 1 и 2. Рабочая точка переходит из положения А в положение А! (см. рис. 4.14). При этом параметрами работы нагнетателя становятся L1(1) > L1(1+1), P1(1) < P1(1+1) и N1(1) > N1(1+1). Это приводит к перегреванию обмоток электродвигателя. Поэтому при выключении одного из нагнетателей его индивидуальный участок необходимо перекрыть клапаном (чтобы исключить бесполезное перетекание газа по нему из-за разности давлений Р2 - Р1), а в сеть оставшегося в работе нагнетателя ввести дополнительное давление РШ так, чтобы рабочая точка переместилась в положение А". При этом затраты мощности составляют N1(1+1), и перегревания электродвигателя не происходит.

Построение суммарной характеристики нагнетателей с разными характеристиками в принципе не отличается от предыдущего построения.

При параллельной работе нагнетателей с разными характеристиками представляется целесообразным определять средний КПД нагнетателей:

(2.5.1)


Из формулы (2.5.1) следует, что более мощные нагнетатели должны работать с максимальным КПД, а регулировать расход в системе целесообразнее менее мощным нагнетателем.

Рассмотренный выше метод построения суммарной характеристики нагнетателей можно применять при любом числе нагнетателей.

4. Последовательное включение нагнетателей

Последовательное включение двух или большего числа нагнетателей применяется тогда, когда давление, создаваемое одним нагнетателем, недо­статочно для преодоления сопротивления сети.

При последовательном включении одно и то же количество газа последовательно перемещается всеми нагнетателями, а давление, необходимое для преодоления сопротивления всей сети, равно сумме давлений, создаваемых каждым нагнетателем. Так как кинетическая энергия, сообщенная потоку первым нагнетателем, не теряется на удар, то общее статическое давление больше суммы статических давлений отдельных нагнетателей. Например, три одинаковых последовательно включенных нагнетателя создают полное давление 3P1(1+1+1).

Если нагнетатель включить последовательно с более мощным, то его подача может увеличиться до значений, гораздо больших, чем его собственная максимальная подача. При этом он станет сопротивлением для более мощного нагнетателя, т. е. при сохранении направления подачи (L > 0) разность давлений с обеих сторон нагнетателя изменит знак.

Работа нагнетателя возможна при L >0 и Р > 0 (1 квадрант), при L < 0 и Р > 0 (II квадрант), при L > 0 и Р < 0 (IV квадрант). Работа нагнетателя в III квадранте невозможна, так как поток не может пойти в обратном направлении через нагнетатель (L < 0) при давлении перед нагнетателем большим, чем за ним. Обычно характеристику снимают только в I квадранте, т. е. при нормальной работе нагнетателя, тем более что для снятия характеристики во II и IV квадрантах требуется специальное оборудование.

5. Система управления компрессором с преобразователем частоты

Наиболее современным является регулирование с помощью преобра­зователей частоты, которые позволяют плавно регулировать частоту вращения электродвигателя компрессора и поддерживать давление в системе при разных расходах перекачиваемого газа. При малых расходах газа двигатель компрессора вращается с малой скоростью, необходимой только для поддержания номинального давления, и не расходует лишней энергии. При увеличении расхода газа преобразователь увеличивает частоту вращения электродвигателя, повышая производительность компрессора при сохранении заданного давления.

На рис. 2.5.5 показана функциональная схема регулирования электродвигателя компрессора с использованием преобразователя частоты Micromaster440 фирмы «Siemens». На вход системы подаются сигналы задания давления и сигнал реального давления, получаемый с датчика давления, установленного в цепи обратной связи. Отклонение между реальным и заданным значениями давления преобразуется ПИД-регулятором в сигнал задания частоты для преобразователя. Под воздействием сигнала задания преобразователь изменяет частоту вращения электродвигателя компрессора и стремится привести разность между заданным и реальным значениями к нулю.


Рис. 2.5.5

Данная схема является модульной и применима для создания проекта, в котором будет реализован алгоритм управления.

Современные преобразователи частоты позволяют создавать системы управления (СУ) без дополнительных аппаратных средств, так как имеют встроенные программные функции, позволяющие реализовывать узел сравнения и ПИД-регулятор. Однако в сложных системах регулирование давление в системе с использованием простых средств регистрации не дает желаемого эффекта. Поэтому, данный способ регулирования совмещают с микропроцессорной системой управления.

Рис. 2.5.6


Система управления (рис. 2.5.6) включает в себя микропроцессорную систему и преобразователь частоты, позволяющий регулировать подачу компрессора изменением его частоты вращения. Функции принадлежности входных и выходных сигналов, правила принятия решений формируются на основе программы, разработанной и внедренной в контроллер данной системы, следящей за ходом технологического процесса.

Значение давления Р определяется датчиком давления, сигнал с которого после двенадцатиразрядного аналого-цифрового преобразования поступает в микропроцессорную систему управления в виде целого числа (от 0 до 4000).

Для более качественного управления процессом в системе используется динамико математическое моделирование, в котором часто фигурирую сложные формы анализа состояния среды. Система также оперирует косвенными переменными, участвующими в вычислении, в частности такие как: скорость изменения давления vР, которая учитывает динамику протекания процесса, и задает особенности внутреннего лексикона задания переменных регулирования.

Для регулирования с помощью преобразователя частоты скорости электропривода компрессора используется сигнал задания скорости ω, который поступает с выхода цифроаналогового преобразователя микропроцессорной системы управления. Формированием управляющего сигнала обеспечивается изменение частоты вращения ω, которое определяется целым числом. В лингвистических переменных управление изменением частоты вращения может быть представлено несколькими уровнями, в зависимости от степени регулирования и сложности динамики.

На основе принципов работы и регулирования составляются основные правила функционирования. Если анализировать все возможные состояния условий, то для этого составляется сводная таблица условий, в которой столбцы соответствуют условиям одного параметра, строки - условиям другого параметра, а на их пересечениях записываются выводы, соответ­ствующие этим условиям.

Делая вывод, можно сказать что, применение частотно-регулируемого привода дополнительно обеспечивает следующее:

  • Снижается износ коммутационной аппаратуры из-за отсутствия больших пусковых токов при включении двигателя компрессора.

  • Оптимизация давления в пневмосети снижает утечки сжатого воздуха.

  • Увеличивается срок службы электродвигателя из-за снижения его нагрузки и отсутствия тяжёлых пусковых режимов.




3. СОЗДАНИЕ ЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КУ


3.1 Анализ и разработка структурной схемы конструктивных и технологических элементов механизма движения поршневого компрессора


Поршневой компрессор относится к классу сложных систем. Общая численность конструктивных элементов (КЭ) и технологических элементов (ТЭ) может составлять 104-106 единиц.

Одним из решений проектирования сложных конструктивных схем является внедрение современных информационных технологий и методик в общем и CALS-методологии в частности. Концепция и стандарты CALS определяют набор правил и регламентов, в соответствии с которыми строится взаимодействие субъектов.

Использование новых информационных технологий неизбежно влечет за собой пересмотр существующих принципов и методов проектирования. Сегодня уже не достаточно получения геометрической или математической модели проектируемого изделия и набора чертежей. В процессе моделирования необходимо получать динамические пространственные модели, отражающие полную структуру изделия, его взаимодействие с оборудованием. Создание полной электронной модели изделия - основная задача CALS-технологии.

Согласно принципам разработка любой сложной системы должна начинаться со структурно-функционального анализа и моделирования ее в целом и всех ее подсистем в частности. Для этого применяется семейство методологий моделирования IDEF, позволяющее исследовать структуру, параметры и характеристики объектов моделирования. В настоящее время стек методологий IDEF включает ряд частных методологий для моделирования систем, в том числе:

IDEF0 - методология моделирования, используемая для создания функциональной модели, с помощью наглядного графического языка IDEF0, отображающая структуру, процессы и функции системы в виде набора взаимосвязанных функций (функциональных блоков), а также потоки информации и материальных объектов, преобразуемые этими функциями. Моделирование средствами IDEF0 является первым этапом изучения любой системы;

IDEF1 - применяется для построения информационной модели, отображающей структуру и содержание информационных потоков внутри системы, необходимых для поддержки функций системы. Позволяет отображать и анализировать их структуру и взаимосвязь;

IDEF1X (IDEF1 Extended) - методология построения реляционных структур. IDEF1X относится к типу методологий «Сущность-взаимосвязь» и используется для моделирования реляционных баз данных, имеющих отношение к рассматриваемой системе;

IDEF2 - методология динамического моделирования развития систем, позволяющая создавать динамическую модель меняющихся во времени поведения функций, информации и ресурсов системы;

IDEF3 - методология моделирования процессов, происходящих в системе, предназначенная для создания сценариев и описания последовательности операций для каждого процесса;

IDEF4 - методология объектно-ориентированного проектирования и анализа систем. Средства IDEF4 позволяют наглядно отображать структуру объектов и принципы их взаимодействия, позволяя анализировать и оптимизировать сложные объектно-ориентированные системы;

IDEF5 - методология определения онтологий (словарей) исследования сложных систем. С помощью словаря терминов и правил позволяет описать онтологию системы. В итоге могут быть сформированы достоверные утверждения о состоянии системы в некоторый момент времени, на основе которых делаются выводы о дальнейшем развитии системы и производится её оптимизация.

IDEF9 - методологии моделирования требований.

Основное требование системного подхода при изучении какого-либо объекта – рассмотрение системы как единого целого, т.е. определенной одним функциональным блоком (черным ящиком) со своими входами и выходами. Контекст модели очерчивает границы моделируемого процесса и описывает его взаимосвязи с внешней средой и другими процессами, определяя модель процесса как часть целого. В контекст IDEFO-модели входит определение единственного субъекта моделирования, его полное, точное и адекватное описание, называемое целью модели, созданное с одной точки зрения на модель. Согласно IDEF0 контекст системы представляется контекстной диаграммой, а диаграммы нижнего уровня описывают детализированные аспекты системы.


Рис. 3.1- Контекстная диаграмма механизма движения и уравновешивания ПК




Рис. 3.2 - Структурно-функциональная диаграмма механизма движения и уравновешивания ПК


Контекстная диаграмма механизма движения и уравновешивания ПК приведена на рис. 3.1. На рис. 3.2 представлена структурно-функциональная диаграмма механизма движения и уравновешивания ПК.

В основу методологии IDEF0 положен процесс декомпозиции, основанный на объектно-ориентированном подходе к рассмотрению объекта проектирования как системы взаимосвязанных элементов. Полученная при анализе информация представляется в виде иерархической структуры в графическом виде – диаграммы дерева узлов.

Согласно принципам объектно-ориентированного подхода к процессу проектирования требуется глубокая декомпозиция структуры изделия до уровня КЭ и ТЭ, их идентификации на основе единой системы условных обозначений. Поэтому предлагается к рассмотрению структурная схема механизма движения и уравновешивания поршневого компрессора как системы (СУПК), в которой выделены основные функциональные, конструкторские и технологические элементы, входящие в его состав.



Рис. 3.3 - Верхние уровни (0-й – 2-й) диаграммы узлов


На наивысшем нулевом уровне (рис. 3.3) расположен сам СУПК, принятый к рассмотрению как метасистема. В метасистеме выделены три подсистемы первого уровня – это кривошипно-шатунный механизм, цилиндропоршневая группа и механизм уравновешивания. В процессе дальнейшей декомпозиции к рассмотрению принимаются подсистемы первого уровня и т.д., каждая из которых рассматривается как система более низкого уровня (рис. 3.4).

Декомпозиция каждой из подсистем всех уровней позволила создать диаграмму, представляющую собой структурную схему объекта моделирования, в которой указаны основные КЭ и ТЭ, а также их характеристики. Разработанная схема учитывает характерные особенности конструкции и достаточно полно описывает моделируемую систему до уровня КЭ и ТЭ.


Рис 3.4 - Подсистема четвертого уровня

На основании проведенного анализа полученной диаграммы были получены следующие результаты:

  • создан перечень основных технико-экономических характеристик, которые отражают разнообразие возможных вариантов исполнения данного объекта;

  • определены и разработаны базы данных стандартизованных и унифицированных деталей, необходимые для проектирования СУПК;

  • составлен перечень данных, используемых как исходные, при выполнении проектировочных и поверочных расчетов;

  • определен перечень требуемых математических моделей КЭ и ТЭ для разработки САПР СУПК.


    1. Рассмотрение виброакустических характеристик полученной модели


В машинах такого типа вследствие возвратно-поступательного движения поршня, возникает нестационарность динамических воздействий, что характеризуется более сложным, в отличие от роторных машин, характером вибрационного состояния. Это приводит к возникновению дополнительных источников вибрации:

  • неуравновешенные силы инерции вращающихся Fr и поступательно движущихся масс FS;

  • момент сил инерции Ми вращающихся и поступательно движущихся масс;

  • опрокидывающий момент Мопр;

  • крутильные колебания коленчатого вала;

  • пульсация давления газа в цилиндрах и межступенчатых коммуникациях;

  • удары элементов механизма движения, цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) и клапанов.

Одной из характерных особенностей диагностирования поршневых машин является то, что колебания, проявляющиеся вследствие неисправностей, накладываются на общее вибрационное состояние от неуравновешенности масс. Это приводит к необходимости рассмотрения двух подходов:

    1. анализ колебаний компрессора как единого целого, возникающих от его неуравновешенности;

    2. анализ вибрации узлов компрессора, возникающей от дефектов.

Другой особенностью поршневых машин является функционирование узлов механизма движения в условиях циклически изменяющихся нагрузок. Это приводит к появлению в них ударов. Расчет скорости соударения и времени появления ударных импульсов для каждого сопряжения позволяет выделить их в виброакустическом сигнале. В результате динамического анализа механизма движения поршневого компрессора с учетом зазоров в подвижных соединениях получили:


(3.1)


где а- множитель, характеризующий реакцию связи а; Т - кинетическая энергия механической системы (механизма движения компрессора), и Qj - соответственно обобщенная реактивная и активная силы; fa - уравнение связи а контактного движения деталей; R - число обобщенных координат.



Рис. 3.5 - Схема компрессора с контрольными точками измерения вибрации: 1-6 - контрольные точки; 1 - фундамент; 2 - электродвигатель; 3 - станина компрессора.


При этом в качестве обобщенных координат qj рассматривалось относительное движение деталей сопряжений в поле зазора и угол поворота колен вала. Зазоры учитывались в узлах "поршень-цилиндр", "башмак крейцкопфа-направляющая", а также в крейцкопфном и шатунном подшипниках скольжения. Введение в уравнения движения реактивной составляющей позволило описать весь цикл виброударного режима работы механизма с помощью одних и тех же зависимостей.

Для выделения информативных диагностических признаков в амплитудном спектре, по результатам моделирования, был определен основной характер взаимодействия функциональных узлов:


(3.2)



    1. Моделирование алгоритма управления в программном пакете математического моделирования MATHLAB


Для выполнения расчетного анализа разработаны математические модели различных схем циклов сжижения: одноступенчатые и двухступенчатые схемы циклов. Модели реализованы в диапазоне давлений и температур газа на входе в УСПГ соответственно 3,5..5,5 МПа и 233..288К.

Моделирование динамики механизма движения компрессора с учетом зазоров позволяет определить силовые параметры в узлах, необходимые для проведения расчета на статическую и усталостную прочность. В настоящее время эти расчеты проводятся в соответствии с методиками, выше, где нормальные и касательные составляющие реакций определяются методом кинетостатики. Однако как показали теоретические исследования, это справедливо лишь в первом приближении. Максимальные значения сил в моменты ударов могут превышать соответствующие значения реакций в механизме без учета зазоров более, чем в 2 раза. Кроме этого, как показано на рис.3.5, в условиях контактного движения деталей, наблюдаются модулированные высокочастотные колебания циклическим характером нагружения узла. При этом величина реакции периодически изменяется от максимального до минимального значения. Частота этих колебаний определяется скоростью вращения колен вала, значениями зазоров во всех сопряжениях механизма, их режимом трения и тому подобное. Установлено, что ВЧ колебания появляются вследствие того, что движение деталей относительно друг друга происходит не плавно, а "рывками" - из-за влияния зазоров в подшипниках.

Для реализации максимально оптимальных характеристик компрессорной установки, на период адаптации, можно пренебречь вибрациями высокого порядка, а малые сравнительно совпадают по частоте с режимом номинальной работы двигателя в установившемся режиме. Однако характеристику установочных звеньев связует число, приведенное к общему уровню взаимодействия, относительно опоры. Поэтому, общую формулу связи входных узлов компрессора и выходных параметров прохождения в трубопровод зададим следующим образом:


; (3.3)


При учете наличия в системе мер стабилизации, которые реализуется в виде контура регулирования как скорости, так и тока якоря двигателя, можно пренебречь динамическими коэффициентами сопротивления газа в трубопроводе и толчкообразные сигналы на выходе.


    1. Синтез системы управления привода компрессорной установки


Составим структурные схемы исходной системы. Определим передаточные функции звеньев.


Таблица 3.1

Определение передаточной функции звеньев

Название звена

Передаточная функция

Формула

Расчёт

Компрессор

WК(р)=

WК(р)=

Звено цепи якоря

W(р)=

WЦЯ(р)=

Механическая часть двигателя

W(р)=

WМЧ(S)=

Преобразователь

W(р)=

WП(S)=


WИСХ = WП*WЦЯ*WМЧ*WК =

= (3.4)


Проверим исходную систему на устойчивость, т. е. получим график переходного процесса (рис.3.6):


Рис.3.6


Из рисунка видно, что переходный процесс является расходящимся, следовательно исходная система неустойчива и требует регулирования.

Первый контур регулирования


Рис.3.7



КТ = 0.1/8 = 0.012 , (3.5)


Найдем исходную ПФ 1 контура


WИСХ1(p)=WП*WЦЯТ, (3.6)


WИСХ1(р) = 0.012 = , (3.7)


Будем настраивать внутренний контур на технический оптимум.

При настройке на технический оптимум желаемая передаточная функция имеет вид


Wж1(р)= (3.8)


С другой стороны WЖ1 (р)= Wрег1(р)* Wисх1(р), следовательно


Wрег1(р)= (3.9)

Wрег1(р)=, (3.10)


Выполним проверку. Найдем желаемую ПФ замкнутой системы (3.11)

Найдем ПФ замкнутого первого контура


Ф1(S)== , (3.12)


Для дальнейших расчетов примем

Ф1(S) ≈, (3.13)


Расчеты выполнены верно: Ф1(S) = ФЖ1 (S).

Второй контур регулирования

Введем второй контур регулирования


Рис.3.8


К =27.8/8 = 3.5 (3.14)


(3.15)


Желаемая передаточная функция 2 контура имеет вид


Wж2(р)= (3.16)

Wж2(S)= (3.17)


Wрег2(р) (3.18)


Найдем желаемую ПФ замкнутой системы


(3.19)


Найдем ПФ замкнутого первого контура


Ф2(р)= , (3.20)

Ф2(S) ≈ (3.21)


Третий контур регулирования

Введем третий контур регулирования:


Рис.3.9


КД = 8/60 = 0.14 (3.22)

(3.23)


Желаемая передаточная функция 3 контура имеет вид


Wж2(р)=, (3.24)


Wж2(S)= (3.25)

WРЕГ3(р) (3.26)


Найдем желаемую ПФ замкнутой системы


(3.27)


Найдем ПФ замкнутого первого контура


Ф2(р)= , (3.28)


Найдем ПФ замкнутой и разомкнутой системы

Wраз=Ф3*, (3.29)

, (3.30)


Проверим систему на устойчивость, т. е. получим график переходного процесса (рис.3.10):


Рис.3.10


Из рисунка видно, что время переходного процесса равно 0.3 сек, следовательно рассчитанный регулятор подходит для данной системы и система является устойчивой.


    1. Реализация корректирующих устройств на регуляторах


В связи с тем, что контроллер, используемый в системе управления ТП, работает дискретно, то и регуляторы должны быть представлены в дискретном виде (аппроксимация Тустена или Z - преобразования).

Существуют различные методы синтеза цифровых регуляторов, основанные на теории Z - преобразования и пространства состояний. Эти методы требуют очень громоздких математических преобразований и используются в особо точных системах управления.

Рассмотрим более простой подход, состоящий в предварительном синтезе непрерывных регуляторов известными методами теории автоматического регулирования для непрерывных систем и последующем переходе к цифровому регулятору, эквивалентному синтезированному аналоговому.

Задача переоборудования аналоговых регуляторов решается как задача аппроксимации передаточной функции данного регулятора дискретной передаточной функцией цифрового регулятора.

В инженерной практике наибольшее применение нашла аппроксимация, полученная на основе билинейного преобразования или аппроксимация Тустена.

Согласно этой аппроксимации:


; , (3.31)


где Т - интервал дискретизации по времени

Однако, этим методом можно пользоваться только тогда, когда интервал дискретизации по времени для цифровой системы Т мал по сравнению с самой малой постоянной времени системы управления Т. Согласно теореме Котельникова - Шеннона непрерывный сигнал достаточно точно восстанавливается по совокупности его дискретных значений, если


Т  0,5 Т.. (3.32)



На практике необходимо иметь больший коэффициент запаса


Т  ( 0,1 - 0,2 ) Т. (3.33)


Определим период дискретизации (Т): это обратная величина от частоты контроллера, но лучше взять частоту АЦП, которая в нашем случае равна 48КГц=48000Гц. Выбор частоты АЦП связан с тем, что скорость обработки информации в первую очередь зависит от скорости работы АЦП.


, (3.34)


Проверим соблюдение условия (теорема Котельникова - Шеннона)


Т  0,5 Т.. (3.35)


0.00001  0,5*0.02, (3.36)

0.00001  0.01, (3.37)

Условие соблюдается, следовательно период дискретизации выбран правильно.

Произведем перевод полученных регуляторов в дискретные.

Синтез цифровых регуляторов по средствам программы MatLab


Wрег1(р) =, (3.38)


Wрег1(z) =, (3.39)


Wрег1(р) =, (3.40)

Wрег1(z) =, (3.41)

Wрег3(р) , (3.42)


Wрег3(z) , (3.43)



4. Проектирование системы автоматиЧЕСКОГО управления с использованием пакета Rational Rose


Создание протокола записи

На диаграмме вариантов использования видно, что режим работы задается оператором вариантом использования Remote Control. После запуска оператором процесса контроллер, получая данные от датчиков, управляет устройствами. Контроллер выдает информацию о текущем состоянии процесса оператору в виде Out info, что показано на диаграмме вариантом использования. Архивирование работы системы также представлено в виде Out info.


Рис. 4.1 - Диаграмма вариантов использования



Рис. 4.2 - Диаграмма топологии


    1. Построение структуры системы


Физическое представление системы управления не может быть полным, если отсутствует информация о том, на какой технологической платформе она реализована. Поэтому после того, как основные функции системы определены, следует определиться с аппаратной частью проектируемой системы. На основании этого построим диаграмму топологии (рис. 4.2). Диаграмма топологии является единой для системы в целом, поскольку должна всецело отражать особенности ее реализации.

Центральным устройством системы управления, функционально связанным со всеми устройствами системы и управляющий ими, является контроллер, что соответствует определенным выше требованиям к системе.

Далее определяем, каким образом устройства, показанные на диаграмме топологии, взаимодействуют между собой. Для этого сначала разделим устройства в зависимости от выполняемых ими функций на следующие категории (классы):

  • Контроллер (класс Controller) – посылает запросы датчикам и управляющих сигналов исполняющим устройствам.

  • Клапаны (класс Valve) - открытие и закрытие.

  • Датчик давления (класс P_Sensor) – измерение давления.

  • Устройство регулирования частоты (класс Frequency_Device) – задание токовых сигналов.

  • Датчик температуры (класс T_Sensor) - измерение температуры.

  • Датчик смещения (класс C_Sensor) – измерение смещения вала ротора.

  • Датчик вибрации (класс V_Sensor) – измерение вибраций.

  • Двигатель (класс Moto) – общий класс объекта ЭД;

  • Воздушный компрессор (класс Air_Compressor) – общий класс объекта компрессор;

  • Насос (класс Pump) – общий класс объекта насос;

  • Ресивер (класс Receiver) – общий класс спускного механизма.


Рис. 4.3 - Диаграмма взаимодействия объектов системы.



После декомпозиции системы (разбиения на классы), представим ее как совокупность взаимодействующих объектов соответствующих классов (рис. 4.3).

На данной диаграмме приняты следующие обозначения:

Frequency_Device – частотный регулятор привода компрессора;

Moto – приводной электродвигатель компрессора;

Compressor – воздушный компрессор подачи охлаждения;

Oil_Pump – маслонасос системы охлаждения;

Water_Pump – водяной насос подачи охлаждения;

Temperature_Buter_Sensor – датчик температуры масла;

Temperature_bearings_Sensor – датчик температуры подшипников;

Temperature_Moto_Sensor - датчик температуры двигателя;

Pressure_In_Sensor - датчик давления газа на входе компрессора;

Pressure_Out_Sensor – датчик давления газа на выходе компрессора;

Pressure_Refall_Sensor - датчик перепада давления;

Pressure_butter_Sensor - датчик давления масла;

Pressure_chill-water_Sensor - датчик давления охлаждающей воды;

Pressure_blown_Sensor - датчик давления обдува воздуха;

Pressure_Stek_Sensor – датчик давления воздуха в стойку;

Vibration_H_Sensor – датчик вибрации горизонтальный;

Vibration_L_Sensor – датчик вибрации вертикальный;

Center_Sensor – датчик осевого сдвига;

Gas_In_Valve – клан подачи газа на вход компрессора;

Gas_Out_Valve – клан выкида газа с компрессора;

Butter_Out_Vale – клапан слива масла;

Chill-Water_Out_Valve – клапан слива охлаждающей воды;

Stek_Valve – клапан подачи воздуха в стойку;

Blow_Valve – клапан подачи воздуха на обдув ЭД;

Baipas_Valve – байпасный клапан.

На диаграмме видно, что всем объектам класса Valve контроллером посылаются управляющие сигналы на закрытие (Close) и открытие (Open) соответствующего клапана. Датчикам T_Sensor, P_Sensor, V_ Sensor, C_ Sensor контроллер посылает запросы на выдачу соответственно сигнала (Get_Param). Объектам класса Pump, Compressor контроллер посылает управляющие сигналы на включение (Start) и отключение (Stop).

Функциональный блок, задающий временные последовательности опроса датчиков, является генератор, при получении от него сигнала контроллер производит опрос датчиков.

После того, как были определена принадлежность объектов тем или иным классам, детализируем каждый класс с целью определения свойств объектов системы.

Класс Valve

Так как клапаны должны выполнять процентную функции открытия и закрытия, класс содержит атрибутов – State, и два метода: Open() и Close().

Класс Sensor

Объединил в себе все измерительные устройства, которые при необходимости запрашивают атрибут Param и метод Get_Param.

Класс Moto

Данное устройство должны выполнять функции включения и выключения, класс содержит атрибутов – State, и два метода: (Start) и (Stop).

Класс Frequency_Device

Устройство производит регулирование частоты вращения двигателя, класс содержит атрибутов m_Freq и два метода: (Up_Freq) и (Down_Freq).

Класс Air_Compressor

Данное устройство должны выполнять функции включения и выключения, класс содержит атрибутов – State, и два метода: (Start) и (Stop).

Класс Pump

Объединил в себе все насосы, которые содержат два метода: (Start) и (Stop) и атрибут – State.

Класс Receiver

Объединил в себя регулирующие органы класса Valve спуска газа.

Класс Controller.

Должен содержать в себе все введенные оператором параметры технологического процесса:

m_P_Gas_In_min – минимальное входное давление;

m_P_Gas_In_max – максимальное входное давление;

m_P_Gas_Out_min – минимальное выходное давление;

m_P_Gas_Out_max – максимальное выходное давление;

m_P_Gas_Defference_max – максимальный перепад давления;

m_T_Gas_Out_max –максимальная температура газа на выходе;

m_T_Gas_In_max – минимальная температура газа на входе;

m_Freq_max – максимальная частота вращения двигателя;

m_C_max – максимальное значение смещения вала;

m_Vibr_max – максимальное значение вибрации вала;

m_T_ bearing_max – максимальная температура подшипника;

m_T_moto_max – максимальная температура двигателя;

m_T_Oil_max – максимальная температура масла;

m_P_Oil_max – максимальное давление масла;

m_P_Oil_Reserv_max – максимальное давление масла с резерва;

m_T_time – время опроса датчиков температуры;

m_P_time – время опроса датчиков давления;

m_C_time – время опроса датчиков смещения;

m_Vibr_time – время опроса датчиков вибрации;

m_P_Water_max – максимальное давление воды;

m_P_Water_min – минимальное давление воды;

m_P_Air_max – максимальное давление воздуха на обдув;

m_P_Air_min – минимальное давление воздуха на обдув;

Все выше сказанное представлено на диаграмме классов рис. 4.4



Рис. 4.4 - Диаграмма классов системы


4.2 Построение алгоритма работы системы


Запуск системы управления КУ производится по команде оператора после того, как им были введены параметры протекания процесса. Перед запуском предполагается, что все предпусковые параметры в норме. После запуска система начинает работать в автоматическом режиме, пока не будет остановлена оператором. При этом система должна автоматически обеспечивать предупреждение аварийных ситуаций. При необходимости изменить параметры оператор способен во время работы системы.

Система функционирует следующим образом.

Предполагается, что все внешние параметры протекания процесса сжатия находятся в норме, тогда происходит пуск двигателя.

Если система вовремя работы обнаруживает, что любой параметр предшествует нормальному ходу реакции – подается сигнализация и происходит блокировка соответствующего устройства.

Единственное условие блокировки, лежащего вне цикла работы является давление, температура и расход циркулирующего газа.

Во время работы происходит постоянная обработка входящих величин с датчиков, что говорит о том – система находится в активном состоянии. Дублирование данных и внешний отчет способствует анализу протекания процесса.

Алгоритм обработки данных имеет вид, представленный на рис. 4.5


Рис. 4.5 - Диаграмма активности, иллюстрирующая обработку данных


4.3 Генерация программного кода


Класс в Rational Rose — это описание общей структуры (данных и связей) для дальнейшего создания объектов. Для того чтобы генератор Rational Rose имел возможность создавать на основе описанной модели программный код, для каждого класса необходимо указать язык, для которого будет создаваться код. Также необходимо определить компонент, в котором этот класс будет храниться. Если в качестве языка для создания кода указан VC++, то пользователь получает доступ ко всей иерархии классов библиотеки MFC при помощи визуальных средств Model Assistant. Поэтому прежде чем приступить к генерации кода на Visual C++, следует создать диаграмму компонентов, отражающая организацию и взаимосвязи программных компонентов, представленных в исходном коде, двоичных или выполняемых файлах. Связи в данном типе диаграммы представляют зависимости одного компонента от другого и имеют специальное отображение через значок «зависимости».

В данном проекте будет построена упрощенная диаграмма компонентов, на которой каждый из компонентов будет представлять класс или его реализацию, хотя при разработке программного кода в большинстве случаев могут использоваться другие подходы.

Для каждого из классов создается два файла: заголовочный (с расширением .h), который содержит описание класса, и файл реализации (с расширением .cpp), где содержится программная реализация методов класса.

Поэтому каждый класс на диаграмме компонентов будет представлен двумя компонентами: Package Specification и Package Body. Первый компонент представляет собой определение пакета (заголовочный файл с расширением .h), второй – тело пакета (файл с расширением.cpp).

Компоненты на диаграмме (рис. 4.6) для простоты имеют те же названия, что и класс, который они представляют.



Рис. 4.6 - Диаграмма компонентов


Кроме того, при создании компонентов в спецификации каждого из них задается язык, на котором он будет реализован (в нашем случае – VC++), а также указывается какие классы включаются в компонент (вкладка Realizes спецификации компонента). На приведенной диаграмме в каждый компонент включен только один класс с тем же именем, что и компонент.

После того, как реализация и прототипы функций определены, с помощью инструмента Model Assistant в указанных классах задаем для каждого оператора тип возвращаемого им значения, передаваемых ему параметров и тело функции (Default Code Body). В классе Controller задается определение структуры params и содержащиеся в ней поля, представляющие задаваемые оператором параметры процесса.

Заключительным этапом в создании программного кода на Visual C++ является ассоциирование компонента с проектом Microsoft Visual Studio 6.0. Для этого используется инструмент Component Assignment Tool (меню Tools → Visual C++ → Component Assignment Tool…). Здесь в свойствах компонентов требуется либо указать существующий проект Visual Studio, либо создать новый проект (при этом используются средства Microsoft Visual Studio), в котором создаются классы, включенные в выбранные компоненты. С помощью этого инструмента можно также включать классы в компоненты и ассоциировать их с языком VC++ (если это еще не было сделано), методом Drag’n’Drop. После того как для всех компонентов был указан проект, в который они будут включены, можно приступать к генерации кода (меню Tools → Visual C++ → Update Code…). Если при этом был выделен класс или компонент, то произойдет обновление его кода (или создание, если он еще не был сгенерирован). Полный перечень программного кода, реализованного в данном проекте, представлен в Приложении В.




5. Аппаратная и программная реализация системы управления КУ


    1. Аппаратная реализация управления


Реализация аппаратной части производится в соответствии с требованиями к системе управления, основные принципы которых излагаются в п.п. 2.3, 2.4 и особенностями технологического процесса, описание которых дается в п. 1.8. Фирмы, занимающиеся проектированием, установкой и наладкой САУ промышленных объектов в нефтехимической отрасли, особенно газоперекачивающей, имеют огромный опыт разработки систем подобного уровня. Поэтому, наиболее разумным было бы обратится к уже готовым решениям как построения самой системы управления, так и внедряемого оборудования. Многие фирмы при проектировании сложных объектов используют методологии, основной принцип которых описан в п. 3.1. Таким образом, можно считать, что данный метод позволит нам более рационально использовать предоставленные ресурсы.

Исходя из разумных принципов, полагаем, что все объекты обладают хорошей совместимостью, отвечают основным требования по качеству и исполнению, экономически обоснованы и имеют необходимые сертификаты соответствия ЕЭС. Архитектура САУ имеет возможность расширения и модернизации, с сохранением или улучшением предъявляемых требований. Наличие в системе контуров диагностики и самодиагностики оборудования, также приветствуется. Важным фактором также является наличие блоков защиты от помех разной природы, как электромагнитных, так и механических.



    1. Выбор платформы системы управления


Система управления, удовлетворяющая данным требования, должна иметь либо открытый характер, способная интеграции стороннего программного обеспечения, либо поставляться как готовый набор средств программного и аппаратного управления. Остановимся на втором варианте, так как он подразумевает ряд важных особенностей:

  • Полный комплект технической и программной документации на устанавливаемые компоненты;

  • Нет необходимости на дополнительное приобретение программного обеспечения, так как структура и качество САУ подразумевает разработку средств управления четко выполняющие свои функции.

  • Наличие информационного центра технической поддержки;

  • Огромная база принципов реализуемых систем;

Одной из таких является полнофункциональная распределенная система управления технологическим процессом DeltaV. Полевые устройства foundation fieldbus, контроллеры и рабочие станции работают совместно в составе системы, обеспечивая управление каждый на своем уровне.

Данные системы нашли широкое применение на Российском рынке и имеют хорошую репутацию, ввиду того, что обладает достаточным количеством разновидностей устанавливаемых модулей, позволяющих создавать на их базе практически любые сложные системы управления.

Однако для правильного планирования системы DeltaV необходимо четкое формулирование требований к интерфейсу ПО управления процессом и установка этого ПО на должным образом сконфигурированную рабочую станцию.

Системы DeltaV эффективно используются для управления сетями различных размеров. Система DeltaV обладает возможностями гибкого планирования и моделирования размеров сети таким образом, чтобы система наиболее полно отвечала требованиям управления процессом. Минимальный набор компонентов для системы DeltaV представлен на рисунке 5.1, где показано число рабочих станций и контроллеров со всем необходимым оборудованием, которое должно быть включено в систему.