Автоматизированная система контроля и управления процессом получения водорода.
В докладе рассматривается АСКУ процессом получения водорода путем впрыска суспензии, приготовленной из мелкодисперсного алюминиевого порошка и воды.
Автоматизируемая технологическая установка предназначена для получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода из алюминия и воды, при котором из мелкодисперсного алюминия размером частиц не более 20 мкм готовят суспензию порошкообразного алюминия в воде при заданном соотношении. Суспензию непрерывно подают в реактор высокого давления, где распыляют при диаметре капель не более 100 мкм в воду при температуре около 300°С и давлении 15-20 МПа, при заданном соотношении суспензии к воде.
Перед началом реакции реактор подготавливают специальным способом, разогревая в нем дистиллированную воду до температуры 300 - 350 градусов и до достижения давления насыщенных паров 10 - 15 МПа соответственно.
В процессе протекания реакции водород, насыщенный водяными парами непрерывно отводится из реактора, для поддержания устойчивого давления в и температуры в реакторе.
Далее, водород подается в осушительные колонки, где он осушается и затем передается в приемные емкости.
Полученные в результате реакции гидроксиды алюминия выводятся из реактора, осушаются и отправляются на переработку.
В связи с небольшим объемом реактора, а также в следствии агрессивности данной химической реакции, процесс поддержания заданного режима является достаточно сложным, а кроме того, требует высокого быстродействия от системы управления.
В качестве управляющего вычислительного комплекса в данной системе используется технические средства семейства СМ1820М. Комплекс построен по двухуровневой архитектуре и включаетя в себя контроллер СМ1820МКП в качестве машины нижнего уровня и комплекс СМ1820МС - в качестве машины верхнего уровня.
Промышленный контроллер серии СМ1820МКП предназначен для взаимодействия с датчиками, установленными на объекте управления. В рамках данной системы - это датчики давления, датчики температур, дискретные датчики, сигнализирующие о состоянии клапанов и насосов. Контроллер выполнен в формате MicroPC Octagon Systems и имеет следующий состав модулей:
- Модуль процессора CPU686E на базе процессора Intel Pentium с установленной операционной системой Linux на базе ядра uClibc, переработанного в ОАО ИНЭУМ для использования в рамках контроллеров СМ1820МКП. Процессорный модуль имеет интегрированный модуль Ethernet, для связи с верхним уровнем.
- 32-х канальный модуль дискретного вывода (МДВыв 3.4), соединенный с релейными модулями (МКР 3.1) (кроссовый - релейный) для коммутации цепей исполнительных механизмов объекта.
- Модуль дискретного ввода МДВ 4.3 - 32-х канальный модуль, обеспечивающий ввод дискретных сигналов с датчиков типа «сухой контакт».
- Два модуля аналогового ввода МАВ 1.8 - 16-и канальные модули, обеспечивающие ввод аналоговых сигналов от датчиков, выдающих токовый сигнал в диапазоне 4 - 20 мА, а также от термопар типа хромель-капель.
- Блок питания БП 1.1 (питание как процессора и модулей, так и управляющие обмотки реле на кроссовых платах).
- Набор кроссовых плат для подключения датчиков и исполнительных механизмов.
В сумме контроллер принимает с объекта 32 дискретных сигнала, 32 аналоговых сигнала и осуществляет управление объектом по средствам 32-х дискретных сигналов, по командам которых открываются и закрываются клапана, включаются и отключаются насосы и двигатели, запускаются различные механизмы.
Все модули ввода вывода разработаны и производятся ИНЭУМ.
Основной задачей контроллера является сбор данных с датчиков, установленных на объекте, обработка этих данных и подготовка пакетов для отправки на «верхний уровень» и выдача команд управления на объект в автоматическом режиме. Кроме того, контроллер должен незамедлительно транслировать команды управления верхнего уровня на исполнительные механизмы объекта, а также отслеживать возникновение аварийных ситуаций.
МВУ СМ1820МС выполнена в формате CompactPCI, являющимся наиболее надежным промышленным стандартом. Для повышения отказоустойчивости и надежности хранения данных машина оснащена 2-мя жесткими дисками, работающими в зеркальном raid-массиве. Машина работает под управлением операционной системы Windows 2000 Server с установленной SCADA системой WinCC, производства фирмы Siemens. Программное обеспечение оператора, соответственно, выполнено в среде SCADA системы WinCC. Машина верхнего уровня оснащена двумя мониторами, для удобства использования оператором.
Связь нижнего и верхнего уровней осуществляется через Ethernet. Для передачи данных в SCADA систему от контроллеров СМ1820М разработана специальная служба, принимающая сигналы от контроллеров, обрабатывающая их, и передающая в SCADA систему. Данная служба разработана как универсальный логический хаб для централизованной обработки данных, поступающих с систем нижнего уровня. Необходимость создания такой службы обуславливается тем, чтобы максимально снизить нагрузку на контроллер, теми задачами, которые могут быть выполнены системами верхнего уровня. А именно, передача сигналов не на одну машину верхнего уровня а в целую сеть клиентских терминалов. В случае подобной архитектуры, если бы каждый клиент запрашивал одни и те же данные у контроллера - это значительно увеличило бы нагрузку на маломощный процессор контроллера, понизив надежность в задачах управления и скорость в ответах на клиентские вопросы. В случае же, когда централизованный сборщик данных работает на мощной машине верхнего уровня, информационные потоки являются наиболее оптимизированными.
Помимо ретрансляции сигналов, служба имеет функции простейшего преобразования и генерации сигналов. Это сделано для предоставления клиентам более расширенной информации по объектам управления. Например, это может быть обобщенный сигнал измерения какого-либо участка технологического процесса, основанный на измерениях с различных датчиков, с последующим выбором либо максимального или минимального значения, либо среднего значения. Также, в рамках данной службы, возможно формирование логических цепочек по дискретным параметрам или генерация дискретных аварийных сигналов по выходам за уставки аналоговых параметров.
В рамках рассматриваемой задачи по автоматизации технол. процесса, существуют не только задачи мониторинга, но и управления. Управление может быть ручным, т.е. оператор, со своего рабочего места, используя элементы управления на видеокадре выдает команды контроллеру для переключения арматуры на объекте.
Помимо ручного управления, стоит задача автоматического режима работы установки, т.к. процесс, протекающий на объекте достаточно быстрый и оператор не всегда может успеть правильно отреагировать на изменение ситуации.
Автоматическое управление осуществляется на основе заданной циклограммы, т.е. последовательность операций по переключению оборудования, ограниченная временными параметрами. Комплекс имеет средства для редактирования всех параметров работы циклограммы. Т.е. перед началом, оператор имеет возможность отредактировать все временные интервалы, выставить все уставки аварий и регулирования для получения максимального эффекта от протекающей химической реакции.
На фоне работы автоматического или ручного режима, в контроллере всегда работает задача по отслеживанию аварийных ситуаций, которыми может быть выход за уставки давления и температуры в реакторе, превышение в окружающей среде предельно допустимой концентрации водорода. В случае возникновения подобной ситуации система переходит в аварийный режим и запускает аварийную циклограмму, которая выводит пароводородную смесь в дренаж и прекращает химическую реакцию резким понижением температуры в реакторе и концентрации алюминия путем впрыска чистой и холодной воды.
Вся информация о текущих значениях технологических параметров, а также о запуске тех или иных функциях управления немедленно передается из контроллера в системы верхнего уровня, с частотой один раз в 250мс. Данная информация представляется оператору на видеокадрах в виде мнемосхем, графиков, таблиц и журналов аварийных сообщений. Мощная система обработки сообщений, представленная в WinCC позволяет оператору постоянно быть в курсе всех аварийных или предупредительных ситуаций, происходящих на объекте.
В данный момент описанная установка введена в эксплуатацию и работает. Также ведутся работы по переоборудованию этой установки для реализации непрерывного режима работы. Непрерывный режим предоставит возможность получать электроэнергию, путем сжигания полученного водорода.
Автоматизированная система контроля и управления процессом получения водорода.В докладе рассматривается АСКУ процессом получения водорода путем впрыска суспензии, приготовленной из мелкодисперсного алюминиевого порошка и воды.