В работе рассматривается автоматизированный стенд для научных исследований, разработанный на основе ПЛК ADAM-5510EWK/TP. Материал статьи может быть полезен для решения задач управления в АСУ ТП на цеховом уровне.
Выбор стратегии управления химико-технологическими процессами (ХТП) зависит от большого числа факторов. Поэтому необходимо оценивать каждый ХТП и его отдельные операции с точки зрения их устойчивости к внешним воздействиям, которые могут существенно влиять на качество и количество выпускаемой продукции. В химической промышленности производятся сотни различных продуктов, причём для каждого используется своё оборудование. По сравнению с другими отраслями в химической промышленности мало идентичных ХТП, несмотря на то что такие процессы, как, например, экстракция, абсорбция, ректификация и другие, являются общими для многих ХТП.
Часто измерение ключевых параметров бывает весьма трудным и даже невозможным делом. Сложность химико-технологических и особенно гидрометаллургических процессов как объектов регулирования обусловлена инерционностью массообменных и тепловых аппаратов, нелинейностью статических характеристик, наличием больших значений времени запаздывания. Кроме того, во многих случаях механизм массопередачи и гидродинамические закономерности в аппаратах не поддаются адекватному математическому описанию, которое необходимо для построения надёжных систем управления. Несмотря на многочисленные исследования в области теоретических основ химической технологии, ещё не разработана единая теория, позволяющая проводить достоверные инженерные расчёты как массообмена, так и гидродинамики гетерогенных систем. Поэтому приходится вначале проводить экспериментальные исследования на специально созданных пилотных установках, а затем на основании опытных данных строить математическую модель процесса и отрабатывать систему его автоматического управления. Однако такой подход, как правило, экономически не выгоден.
Проблему можно решить с наименьшими материальными и временныˆ́ми затратами, если у технологов и разработчиков АСУ ТП имеется в распоряжении установка, оснащённая многоцелевыми аппаратами и современными средствами контроля и автоматизации, позволяющими измерять основные технологические параметры и отлаживать схемы автоматического управления процессом в целом. Представленная работа посвящена именно такому решению описанной проблемы, реализуемому на основе специально разработанного автоматизированного научно-исследовательского стенда (АНИС).
Разработка новых химических технологий, как правило, начинается с изучения равновесных зависимостей и кинетики процесса. На этом этапе исследований трудно осуществить непрерывный процесс, а без него нельзя получить достоверную информацию о режимных параметрах, которые являются основополагающими для промышленных процессов. АНИС позволяет устранить эту проблему благодаря возможности проводить эксперименты в непрерывном режиме на реальных физико-химических системах.
Располагая опытом по разработке автоматизированной системы сбора и обработки экспериментальных данных [1], в 1988 году на базе информационно-вычислительного комплекса ИВК-3 в Институте химии и технологии редких элементов и минерального сырья (ИХТРЭМС) им. И.В. Тананаева (рис. 1) Кольского научного центра РАН коллектив специалистов создал автоматизированную систему управления гидрометаллургическими процессами. Затем в 2006 году при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований перешли к разработке АНИС.
Успешное решение поставленной задачи стало возможным благодаря появлению на российском рынке высокоточных измерительных преобразователей и соответствующих технических средств создания локальных сетей. Базой для создания АНИС служила пилотная экстракционная установка [2]. К сожалению, кризис 2008 года не позволил в полной мере реализовать планы, однако удалось сохранить материальную часть установки, благодаря чему работа продолжается.
В состав исследовательского стенда входят следующие приборы и оборудование:
Все колонные аппараты изготовлены из стеклянных царг, что даёт возможность визуально наблюдать за процессом, происходящим внутри аппарата. Поскольку аппараты многофункциональны, появляется возможность создавать новые технологические схемы, в которых одновременно используются различные массообменные процессы. При этом отпадает необходимость в изготовлении новых аппаратов.
Три колонны оснащены электромеханическими виброприводами, одна – гидравлическим приводом. С помощью этих устройств подводится дополнительная энергия в аппараты с целью интенсификации процесса массопередачи. На рис. 3 показан автоматизированный гидравлический вибропривод, представляющий собой генератор низкочастотных колебаний.
В его состав входит активный элемент – гидроцилиндр, который является высокопотенциальным устройством. Это означает, что при небольших габаритах он может функционировать как на небольших аппаратах, так и на крупнотоннажных. Благодаря этому гидравлический вибропривод становится унифицированным звеном, способным без конструктивных изменений применяться на промышленных аппаратах различного масштаба.
Автоматизированный стенд создан с целью получения исходных данных для проектирования химических производств и разработки АСУ ТП на цеховом уровне. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
Необходимость проведения научных исследований по гидродинамике и массообмену на автоматизированном стенде обусловлена тем, что такие параметры, как поверхность контакта фаз, диаметр капель в системах жидкость–
жидкость, коэффициенты обратного перемешивания и массоотдачи, предельно допустимые нагрузки и ряд других, нельзя определить ни расчётным путём, ни в лабораторных условиях. При наличии действующих технологических аппаратов, программного обеспечения (ПО), технических средств контроля и регулирования можно не только достаточно быстро определить величину перечисленных параметров, но и отладить АСУ ТП для вновь создаваемого химического производства.
При разработке АНИС за основу была принята трёхуровневая структура (рис. 4).
Первый уровень состоит из следующих датчиков, приборов, исполнительных механизмов и другого оборудования:
Второй уровень предназначен для сбора и обработки данных, выдачи сигналов управления и связи с первым и третьим уровнями. Основой второго уровня является ПЛК ADAM-5510EWK/TP с набором многоканальных модулей ввода-вывода серии ADAM-5000, осуществляющих связь с устройствами и датчиками первого уровня. В состав ПЛК входят модули шести различных типов:
Третий уровень, представляющий собой автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора (рис. 7), включает в свой состав:
При разработке ПО решались две задачи:
Первая задача была успешно решена за счёт использования SCADA-системы Trace Mode версии 6.02. Для решения второй задачи необходимо было не только адаптировать старые пакеты программ, которые управляли гидроприводом и устройством измерения межфазной поверхности, но и внести некоторые изменения в конструкцию этих объектов. В конечном итоге вторая задача была также успешно решена.
Теперь ПО, кроме SCADA-системы, включает следующие программные блоки:
Такая структура ПО позволила разработать гибкую систему обмена данными между вторым и третьим уровнями и создать удобный пользовательский интерфейс.
Система АНИС продолжает совершенствоваться, однако уже сегодня она позволяет проводить эксперименты и получать информацию в реальном времени. При этом исследователь может наблюдать за ходом массообмена или за гидродинамической обстановкой в наиболее важных точках технологической цепочки по анимационным картинкам, на которых видно, как работают насосы, подаётся сырьё в аппарат или движутся взаимодействующие потоки. На рис. 8 показана мнемосхема технологического модуля, состоящего из трёх колонных аппаратов, на которых контролируются 23 наиболее интересных с исследовательской точки зрения параметра.
Если аппараты включаются в работу, в них начинают перемещаться «потоки», что создаёт для экспериментатора благоприятные условия наблюдения за объектом. Любой аппарат или его часть можно выделить в виде мнемосхемы в более крупном масштабе. За динамикой каждого контролируемого параметра можно наблюдать в реальном времени на графике. Для этого оператору достаточно указать мышью тот значок на мнемосхеме, на котором отражается интересующая его физическая величина. Вся оцифрованная информация о ходе процесса помещается в архив в виде таблично-временны́х массивов. Благодаря этому можно графически сопоставлять результаты ранее проведённых экспериментов с текущими результатами.
На рис. 9 сопоставлены графики экспериментов, проведённых на реакторе при исследовании процесса аммонизации.
Эксперименты ставились в разных условиях и в разное время, но каждый из них первоначально был зафиксирован на мониторе АРМ в реальном времени, то есть в период прохождения эксперимента, и сохранён в архиве. Оптимальными оказались условия, при которых получен график с минимальным временем достижения максимальной температуры.
Используя возможности автоматизированного стенда, в течение последних трёх лет на базе АНИС были проведены исследования экстракционного процесса получения циркония из эвдиалитового концентрата. Затем был изучен процесс твердофазной аммонизации солей алюминия с целью получения катализаторов. На основании экспериментальных исследований подготовлены исходные данные для проектирования промышленных аппаратов. В обоих процессах приходилось использовать физико-химические системы жидкость–жидкость, газ–жидкость и газ– твёрдое. Для каждой из них необходимы аппараты с определённой спецификой. АНИС в полной мере справился с этой задачей, имея на вооружении всего 4 аппарата и сравнительно недорогие средства контроля и управления. Следует отметить, что и аппараты, и автоматика оказались надёжными блоками экспериментального стенда.
Анализируя результаты проведённых исследований, можно сделать следующие выводы:
E-mail: aleks.solovjev-2013@yandex.ru
Контроллер, программируемый с помощью условий
Возможно ли создать алгоритм для задач автоматизации технологического процесса, не используя язык программирования? Предлагается описание системы создания алгоритма работы ПЛК для устройств малой автоматизации без использования специальных языков программирования. 01.09.2024 СТА №3/2024 395 0 0Как биометрия и искусственный интеллект помогают быстро и безопасно обслужить пассажиров в аэропортах
В условиях современных аэропортов идентификация пассажиров является одной из самых важных функций быстрого и безопасного обслуживания. Передовая биометрия помогает в этом, надёжно контролируя все этапы и существенно повышая пропускную способность транспортных узлов. 28.07.2024 СТА №3/2024 548 0 0Граничные вычисления: революция в обработке данных
В последние годы мы наблюдаем стремительный рост объёмов данных, генерируемых устройствами Интернета вещей (IoT) и различными приложениями. Традиционные облачные вычисления, при которых данные передаются в централизованные дата-центры для обработки, становятся менее эффективными в таких условиях. Именно здесь на сцену выходят граничные вычисления (Edge Computing) – новая парадигма, призванная решить эти проблемы. 28.07.2024 СТА №3/2024 592 0 0Специальные решения по бесперебойному питанию от POWERCOM
В настоящее время в связи с тотальной цифровизацией актуальность обеспечения надёжным, бесперебойным питанием постоянно возрастает. В этой статье мы расскажем об одном из интересных решений по обеспечению бесперебойного питания от компании POWERCOM. 28.07.2024 СТА №3/2024 453 0 0