,
г. Тобольск, ТГСПА им.
РАСЧЁТА ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА В СРЕДЕ MATHCAD
Автоматизация технологического процесса – совокупность методов и средств, предназначенных для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление самим технологическим процессом без непосредственного участия человека, или управление при оставлении за человеком права принятия наиболее ответственных решений.
Основными целями автоматизации технологического процесса являются: повышение эффективности; повышение безопасности; повышение экологичности; повышение экономичности производственного процесса. Эти цели достигаются посредством решения следующих основных задач: улучшение качества регулирования; повышение коэффициента готовности оборудования; улучшение эргономики труда операторов процесса; обеспечение достоверности информации о материальных компонентах, применяемых в производстве и т. д. Решение задач автоматизации технологического процесса осуществляется при помощи внедрения современных методов и средств.
Экспериментальной базой исследования явилось крупнейшее предприятие региона в области нефтехимии -Нефтехим». Предприятие занимается производством бутадиена, изобутилена, метилизобутилового эфира и др. Производственные мощности -Нефтехим» включают в себя центральную газофракционирующую установку мощностью 3,8 млн. т переработки ШФЛУ в год, производство мономеров для выработки синтетических каучуков — бутадиена (196 тыс. т в год) и изобутилена (83 тыс. т в год), а также производство метил-трет-бутилового эфира -150 тыс. т в год.
Для сопровождения непрерывного технологического процесса на предприятии создана служба ремонта и эксплуатации контрольно-измерительных приборов и автоматизации (КИПиА). Задачами данной службы являются:
§ обеспечение бесперебойной и надежной работы контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации, находящихся в эксплуатации и закрепленных за службой ремонта и эксплуатации КИПиА;
§ обеспечение своевременного и качественного ремонта контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации;
§ соблюдение графиков планово-предупредительных ремонтов, сроков калибровки и поверки средств измерений органами метрологической службы предприятия и органами Госстандарта Российской Федерации;
§ обеспечение достоверности измерений и улучшение параметров измерительной техники;
§ участие в работах по автоматизации производственных процессов, внедрению новой измерительной техники и систем автоматического управления технологическими процессами;
§ участие в разработке планов перспективного развития предприятия в части, относящейся к автоматизации производства.
В системе автоматизированного управления технологическими процессами предприятия используются различные приборы, например, буйковые преобразователи уровня (типа Сапфир-22-ДУ), измерительные преобразователи давления, устройства контроля и регистрации ГСП (типа ФЩЛ 501, ФЩЛ 502), преобразователи сигналов (БПС-90) и др.
Рисунок 1 – Современные интеллектуальные датчики МЕТРАН-150
Интеллектуальные датчики давления серии «Метран-150» предназначены для непрерывного измерения и контроля входных измеряемых величин: избыточного давления; абсолютного давления; разности давлений; давления разрежения; гидростатического давления (уровня).
Для надёжной и стабильной работы необходимо проводить первичную и периодическую поверки приборов контроля технологического процесса предприятия. При проведении поверки применяют различные средства: манометр абсолютного давления, портативный калибратор давления, вакуумметр теплоэлектрический, вольтметр универсальный, портативный HART-коммуникатор и т. д. Допускается применять и другие средства поверки, технические и метрологические характеристики которых не уступают указанным требованиям.
Основной проблемой при проведении поверки является определение основной погрешности датчика. В ходе поверки устанавливают соответствие с пределами допускаемой основной погрешности от ± 0,05% до ± 0,25%.
Рассматриваемая инженерно-техническая задача сводится к определению основной погрешности датчика контроля давления протекания технологического процесса. Анализ результатов производимых расчётов позволит принять решение о возможности дальнейшей эффективной эксплуатации данного контрольно-измерительного прибора.
Для определения основной погрешности рассматривается поверка датчика давления с выходным аналоговым сигналом постоянного тока. По эталонному средству измерения (СИ) на входе датчика устанавливают номинальные значения входной измеряемой величины (давления), а по другому эталонному СИ измеряют соответствующие значения выходного аналогового сигнала (тока или напряжения). Поверка датчика осуществляется в соответствии с рекомендациями Государственной системы обеспечения единства измерений, Всероссийского научно-исследовательского института метрологической службы Госстандарта России (ВНИИМС) и разработчиков промышленной группы «Метран».
Суть производимых мероприятий: создаваемое давление подается на поверяемый датчик и модуль давления калибратора. Воспринимаемое датчиком давление отображается на жидкокристаллическом индикаторе датчика. Модуль давления вырабатывает токовый сигнал, характеризующий величину давления, который поступает на вход калибратора. На основании этого сигнала в калибраторе определяется величина давления. Сравнение показаний калибратора и датчика позволяет определить погрешность датчика по показаниям. Приведенная погрешность в каждой точке определяется как отношение разности показаний калибратора и датчика к верхнему пределу измерения.
Датчик признают годным, если на всех поверяемых точках модуль основной погрешности 
, выраженной в % диапазона измерения выходного сигнала, не превышает пределов допускаемых значений в соответствии с условием:
где
| – | модуль основной погрешности на всех поверяемых точках, %; |
| – | абсолютное значение отношения контрольного допуска к пределу допускаемой основной погрешности, %; |
| – | предел допускаемой основной погрешности поверяемого датчика, %. |
В качестве инструментов реализации инженерно-технических задач автоматизации выступают различные программные средства. Крупные промышленные корпорации и холдинги стремятся автоматизировать свою производственную деятельность на базе комплексов, специально разработанных по заказу. Такие комплексы, как правило, охватывают различные направления автоматизации, являются универсальными, требуют тщательной адаптации пользователей к работе с ними и. т. д.
Такие программные средства на предприятии не позволяют автоматизировать расчёты характеристик приборов контроля по нормативным методикам. Поэтому специалисты службы КИПиА ранее вручную производили многократные рутинные вычисления для определения адекватности и надёжности работы приборов контроля технологического процесса.
Обзор функциональных возможностей представленных на рынке средств позволил утвердиться в выборе универсальной системы компьютерной математики для инженерно-технических расчётов. Mathcad является одной из наиболее популярных систем, т. к. имеет простой интерфейс и входной язык математических символов, а также отличается простотой технологий решения математических задач. Преимущества Mathcad для решения инженерных задач: полнота и одновременно лаконичность изложения компьютерных технологий решения математических задач; большое количество примеров; практическая адаптивность.
С помощью алгоритма, разработанного в системе Mathcad в соответствии с нормативными документами, регламентирующими процесс поверки приборов контроля, данный расчёт может быть легко реализован многократно, с использованием различных наборов исходных данных. Внедрение такого алгоритма интенсифицирует профессиональную деятельность специалистов службы контроля и автоматизации, повышает производительность и эффективность их труда. При этом алгоритм не является узко специализированным. Аналогичные расчёты могут производиться и при поверке приборов контроля других параметров протекания технологического процесса (например, температуры). В этом случае адаптация алгоритма будет заключаться лишь в замене эталонных и идеальных значений, а также значений нормативов измерений (например, класс точности по ГОСТ). Замена данных величин реализуется в режиме диалога в течение сеанса работы специалиста.
Одним из ограничений, регламентирующих широкое внедрение Mathcad в инженерную практику для реализации расчётов, является проприетарность этого программного средства. В частности, лицензионная стоимость пакета Mathcad Professional Individual составляетрублей (май 2012 года). Однако эту проблему можно решить, адаптируя знания, умения и навыки работы с Mathcad к использованию свободно распространяемого аналога данного программного продукта SMath Studio. Эта бесплатная программа предназначена для вычисления математических выражений и построения графиков функций. Работа с интерфейсом программы напоминает работу с обычным листом бумаги, так как все математические выражения в ней записываются не в строчку текстом, а в графическом, удобном для человека, виде. На текущий момент SMath Studio имеет версии для нескольких платформ: КПК, коммуникаторов, смартфонов, персональных компьютеров на базе операционных систем Windows и Linux и логически разделены на две программы: Handheld (карманная) и Desktop (настольная), которые соответствуют типу поддерживаемых платформ. Функциональные возможности SMath Studio аналогичны Mathcad. Отдельным аспектом разработчики SMath Studio отмечают возможность работы с файлами Mathcad.
MathCAD – это система, ориентированная на пользователя, который не обязан знать абсолютно ничего о программировании. Создатели MathCAD изначально поставили перед собой такую задачу, чтобы дать возможность профессионалам – математикам, физикам и инженерам самостоятельно проводить сложные расчеты, не обращаясь за помощью к программистам. И эту задачу они блестяще реализовали.
Представленным в работе расчётом может воспользоваться любой инженер, в практике профессиональной деятельности которого возникают аналогичные технические задачи.
