автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система мониторинга технологических процессов производства серы в Республике Ирак

9 15-5/514

На правах рукописи

^Л п

Карим Дия Альдин Али Хамид

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА СЕРЫ В РЕСПУБЛИКЕ ИРАК

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре «Автоматизированные системы управления».

Научный Николаев Андрей Борисович, Заслуженный деятель

руководитель: науки РФ, доктор технических наук, профессор, декан

факультета «Управление» МАДИ, г. Москва Официальные Жмайлов Борис Борисович, доктор технических наук, оппоненты: профессор кафедры «Информационных и

измерительных технологий», ФГБОУ ВПО «Южный федеральный университет», «Институт высоких технологий и пьезотехники», г. Ростов-на-Дону Никонов Вячеслав Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры КБ-4 «Автоматизированные системы управления», ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет информационных технологий радиотехники и электроники (МИРЭА)», «Институт комплексной безопасности и специального приборостроения», г. Москва

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана -Национальный исследовательский университет техники и технологий (МГТУ им. Н.Э. Баумана), г. Москва

Защита состоится 10 сентября 2015 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.05 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д. 64, ауд. 42.

Телефон для справок: (499)155-93-24. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ. Москва. Текст автореферата размещен на сайте Высшей аттестационной комиссии: www.vak.edu.gov.ru.

Автореферат разослан « 2015 г. Отзывы на

автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.126.05

кандидат технических наук, доцент Михайлова Н.В.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Республика Ирак занимает первое место в мире по запасам самородной серы. Только разведанные запасы составляют 140 млн тонн. Сера используется в производстве бумаги и резины, эбонита и спичек, тканей и лекарств, косметики и пластмасс, взрывчатки и красоки удобрений и ядохимикатов.

Это является далеко не полным перечнем вещей и веществ, для производства которых нужен шестнадцатый элемент в таблице Менделеева (т.е. сера). Для того чтобы изготовить, например, автомобиль, нужно израсходовать около 14кг серы. Можно без преувеличения сказать, что промышленный потенциал страны довольно точно определяется потреблением серы.

В сельском хозяйстве сера применяется как в элементарном виде, так и в различных соединениях. Она входит в состав минеральных удобрений и препаратов для борьбы с вредителями.

Сера используется в элементах дорог (основание и покрытие дорог, тротуарная плитка, торцевая шашка, бортовой камень, дорожные плиты и др.).

Сера используется в строительстве коррозионностойких элементов промышленных и сельскохозяйственных зданий (напольные плиты, кирпич, футерованные блоки, сливные лотки, коллекторные кольца, емкости);

Сера используется в строительство плотин. Основной потребитель серы — химическая промышленность. Примерно половина добываемой в мире серы идет на производство серной кислоты. Чтобы получить одну тонну нужно сжечь около 300 кг серы. А роль серной кислоты в химической промышленности сравнима с ролью хлеба в нашем питании. Таким образом, производство серы необходимо таким отраслям промышленности, как горнодобывающая, пищевая, текстильная, автомобильная и т.д.

При этом следует отметить, что технология добычи и переработки серы связаны с опасностью эмиссии серосодержащих токсичных соединений, в частности сероводорода (3 класс опасности), диоксида серы (2 класс опасности). Серная пыль представляет собой взрыво- и пожароопасный продукт. Однако при соответствующем соблюдении технологии производства указанные выше проблемы могут быть исключены.

Организация производства серы требует строжайшего соблюдения технологии, прежде всего, связанного с тщательным контролем поддержания температурного режима технологического процесса.

Кроме того, на всех стадиях производственного процесса должны быть созданы системы замера содержания серосодержащих соединений в воздухе рабочей зоны.

Таким образом, характер производства серы приводит к необходимости создания многоуровневой системы мониторинга, обеспечивающей информационные обмены между производственно-связанными локальными пунктами управления, а также объединяющей в центре оперативного управления всю информацию о состоянии территориально распределенного технологического процесса.

Процесс производства серы требует соблюдения норм безопасности, в том числе экологической, связанных со своевременным обнаружением и устранением факта загрязнения воздуха серосодержащими соединениями, что требует установки высокоточных безынерционных датчиков, которые обеспечивали бы возможность получения оперативной информации об отклонении технологического процесса от регламентных параметров. Это связано с необходимостью повышения управляемости и эффективности производства, его безопасности.

Проблемы обеспечения безопасности на всех стадиях производства серы требуют к себе всестороннего внимания, так как огромная энергонасыщенность предприятий, возможность возникновения выбросов вредных и взрывоопасных веществ в процессах производства создают опасность и напряженность не только на промышленных объектах, по и в жилых районах, вблизи которых расположено производство.

В этой связи исследование методов организации информации и построения соответствующей автоматизированной системы мониторинга технологических процессов производства серы для производства строительных конструкций широкого назначения, обеспечивающей технологическую и экологическую безопасность на основе совершенствования технологий контроля параметров технологических процессов при производстве серы, представляется весьма актуальной.

Объектом исследования является автоматизация ряда объектов по производству серы в Республике Ирак, технологические параметры которых должны контролироваться на территориальном уровне.

Целью исследования является повышение эффективности работы предприятий по производству серы за счет разработки и внедрения методов и алгоритмов автоматизированного мониторинга технологических процессов.

Задачами исследования являются:

1. Анализ действующей системы ручного управления при производстве серы, а также разработка на её основе системы автоматизированного контроля, работающей в режиме реального времени. Анализ методов и алгоритмов, обеспечивающих систематический обмен данными на всех уровнях управленческо-производственных структур.

2. Разработка алгоритмов автоматизированного мониторинга технологических процессов добычи самородной серы и производства серы.

3. Разработка базы данных для сбора, анализа и хранения текущих значений параметров, поступающих от контролируемых приборов, с возможностью генерации произвольных отчетов по результатам измерений.

4. Разработка программно-управляющего комплекса, включенного в состав АСУТП производства серы и экспериментальная проверка разработанных методов и алгоритмов.

Теоретическая значимость диссертации заключается в формировании комплексного представления результатов современных исследований в области методологий программирования и логического проектирования, а также их

применении к области автоматизированного мониторинга технологических процессов при производстве серы.

Практическая ценность диссертации заключается в проработке и апробировании методик формализации структуры базы данных; разработке программно-управляющего комплекса «Система мониторинга технологических параметров при производстве серы».

Методы исследования. Результаты диссертационной работы получены на основе комплексного использования теории систем автоматического управления, теории отношений, теории баз данных, теории вычислительных сетей и систем.

Научная новизна заключается:

• в использовании адаптивного подхода к реализации автоматизированного мониторинга технологических процессов при производстве серы в зависимости от имеющихся ресурсов и потребностей пользователей;

• в разработке алгоритмов автоматизированного мониторинга технологических процессов при добыче и производстве серы;

• в проектировании реляционной базы данных «Система мониторинга технологических процессов при производстве серы»;

• в автоматизации процессов мониторинга технологических процессов при производстве серы за счет разработки математического и информационно-программного обеспечения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика расчета времени обратной связи в системе между контролируемыми датчиками и программно-управляющим комплексом АСУТП.

2. Математические модели расчета времени срабатывания системы.

3. Алгоритмы автоматизированного мониторинга технологических процессов добычи и производства серы.

4. Концептуальная модель базы данных «Система мониторинга технологических процессов при производстве серы».

5. Методика автоматизированного мониторинга технологических процессов производства серы в реальном масштабе времени.

Достоверность результатов проведенных в работе исследований подтверждается результатами экспериментального исследования, проведенного с использованием программных средств Visual Studio С#, ASP.NET and Visual Studio Web Development, SQL Server и HTML для мониторинга параметров измерительных приборов (датчиков) при производстве серы в Республике Ирак.

Реализация результатов исследования. Разработанный программно-управляющий комплекс «Система мониторинга технологических процессов при производстве серы» внедрен на промышленных объектах по производству серы в городах Мосул, Каркук и Сапахаддин Республики Ирак, в ООО «Интеграл-Строй», а также используются в учебном процессе на кафедре «АСУ» МАДИ.

Апробация результатов. Основные научные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Автоматизированные системы управления» МАДИ в 2012-2014 гг., на заседаниях 71-73 научно-методических конференций МАДИ.

Содержание работы.

Структура работы диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена актуальность решаемых задач, обосновывается цель исследования, раскрывается научная новизна диссертации, ее теоретическая и практическая значимость.

В первой главе диссертации рассматриваются и анализируются основные проблемы, с которыми сталкиваются на предприятиях по производства серы при использовании существующих технологий.

В условиях Республики Ирак наиболее экономически обоснованно организовывать производство серы, что позволяет без дополнительных энергетических затрат использовать жидкую (расплавленную) серу, что позволяет исключить промежуточные стадии ее кристаллизации и расплавления.

При этом на всех стадиях технологического процесса должен быль обеспечен строжайший контроль за технологическими параметрами производственного процесса, в том числе давлением и температурой на стадии добычи и модификации серы. Также на всех стадиях производственного процесса должен быть организован контроль состояния воздуха, на предмет наличия в рабочих зонах серосодержащих соединений.

К настоящему времени накоплен определенный опыт в разработке и эксплуатации систем управления производством серы, которые охватывают различные уровни управления:

• управление технологическими процессами и оборудованием,

• мониторинг этапов производства серы.

Проведенный анализ существующих методов управления производством серы показал, что основная цель автоматизации производства заключается в обеспечении оперативного контроля производственного процесса и в первую очередь повышении экологической безопасности на производстве.

В настоящее время существует трёхуровневая структура, по которой формируются системы мониторинга производства серы, которую соблюдают практически все производители. Ниже приводятся этапы построения системы:

• На первом этапе формируется строительство главной базы АСУТП: блок мониторинга, электронные устройства, первичные датчики, микроконтроллер и органы управления, необходимые для измерения параметров. Состав датчиков и органов управления, их характеристики определяются, прежде всего, требованиями технологического процесса, поэтому для разных технологических процессов они различны.

• На втором этапе разрабатываются программные логические контроллеры (ПЛК), которые выполняют следующие задачи:

а) измерение и получение данных о параметрах и состояниях процесса и оборудования;

б) анализ данных;

в) представление информации о процессе и об оборудовании, включая сигнализацию, в том числе и аварийную, накопление и сохранение информации;

г) обмен информацией со смежными системами и верхним уровнем.

• Третий уровень является наблюдательным и управленческим звеном пирамиды. На котором производится строительство сервера базы данных. С помощью сервера главными специалистами дистанционно отслеживается весь технологический процесс на объектах производства серы. Нужно сказать, что мониторинговые объекты могут территориально находится в разных уголках региона на расстоянии сотен километров друг от друга.

В результате проведенного анализа было решено использовать и рекомендовать к внедрению адаптивный подход к реализации автоматизированного мониторинга технологических процессов производства серы в зависимости от имеющихся ресурсов и потребностей пользователей.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке методики повышения эффективности системы мониторинга производства серы (рис.1), основанной на обработке и анализе данных, получаемых на всех этапах жизненного цикла производства серы, а также разработке архитектуры системы контроля технологических процессов.

Система автоматического управления (САУ) содержит следующие компоненты: объект управления (ОУ); исполнительные устройства (ИсУ); измерительные устройства (ИзУ); устройство управления (УУ) и средства автоматики. В неё входят микропроцессорный контроллер, сервопривод водяного клапана, датчики давления, температурные датчики, сервопривод воздушного клапана и другие.

В диссертации предложена методика расчета времени обратной связи в системе между контролируемыми датчиками и программно-управляющим комплексом АСУТП. Обратная связь является основой в АСУТП (рис.2). Эта теория основана на сравнении фактического значения элемента управления с его переменными, и выборе подходящего управляющего сигнала с задержкой на величину сигнала ошибки в результате сравнения фактического и переменного значений (таблица 1).

Теория обратной связи представляет собой общий знаменатель среди всех систем механизмов управления. Если систему представить как некий «черный ящик», то концепция обратной связи предполагает, что изменение выходного сигнала одного черного ящика через некоторую передаточную функцию второго черного ящика передается на вход первого. Далее рассмотрены модели системы управления производства серы.

Рис. 1. Схема компонентов автоматизированной системы мониторинга

Рис. 2. Передача сигнала с применением системы обратной связи

Таблица 1.

_ Сигналы в замкнутом и открытом контурах_

№ Функции Типы сигналов

1 R(s) вход (команда) - reference input (command)

2 Y(s)-W(S) выход (контролируемые переменные) - output (controlled variable)

3 U(s) текущий сигнал - input (actuating signal)

4 E(s) сигнал ошибки - error signal

5 F(s) сигнал обратной связи - feedback signal

6 G(sb K(S) прямая передаточная функция - forward path transfer function

7 H(s) передаточная функция обратной связи - feedback transfer function

1) Детектор ошибок (Error Detector): E(s) = R(s) - Y(s)

2) Правило Мейсона для сигнала расхода графов (Mason's Rule For Signal Flow Graphs):

yout _ Z£=1G\i.Ak

и —------(l;

Ут A

Функция сигнала обратной связи (Function signal Feedback):

F(s) = H(s).C(s)

3) Прямая передаточная функция (Direct or forward transfer function):

Y(S)

cw = W)

4) Передаточная функция обратной связи (feedback transfer function):

F(S)

= W)

5) Передаточная функция разомкнутого контура (open-loop transfer function):

F(S)

CW.H(s)

6) Функция передачи с обратной связью: Если (H(s) = 1)

H(s) =(F(S))/(Y(S)) Y(s) = G(s) * E(s) G(s) x H(s) =(F(S))/(E(S))

E(s) = R(s) - F(s) (2)

Интегрируя формулу (1) с алгоритмом уравнения (2), получаем E(s) = R(s) - H(s). Y(s) Y(s)=G(s).E(s) Y(s) = G(s).R(s) - H(s). Y(s) Y(s) = G(s).R(s) - G(s). H(s). Y(s) Y(s) + G(s).H(s). R(s) = G(s). R(s) /7+ G(s).H(s)].Y(s) = G(s).R(s)

Далее мы получаем функцию преобразования замкнутого контура:

Щ) =_£(£)_

R(S) 1 + G(s).H(s) Таким образом, выход из системы управления для замкнутого контура будет выглядеть:

1 ' 1 + G(s).H(s) Время реагирования первого порядка в системе определяется по следующим дифференциальным уравнениям:

<Jy(t)

"Г UJ

+ y(t) = Gx(t).

22L + ay(t) = bx(t) или

ШЮ) Т{—)

Если время 1=0, Y(0) = у0, (3)

где: а, b - переменные значения системы; т - константа времени (т=1/а);

G - Стабильность (G = ^ ); у0 - значение системы извне.

Используя в уравнении (3) преобразование Лапласа, получаем:

s.Y{s)~ Y0 + а.V(s) = b.X(s)

(s + a).V(s) = Y0 + b.X(s)

Разделив обе части уравнения на (s+a), получаем:

К 00 = + X(s).

б + а 5 + а

В случае у=0, а значение времени равняется одной условной единице, то

тогда:

Y(s) =

ЬЕ

1s-is + a)] ' ЬЕ

Y(s) =-S--s Е

X(s)=~; Y(s) =

ЪЕ_ а

s + а'

ЬЕ

+а)]' (4)

Для выражения У(з) через константу времени (т) преобразование Лапласа можно записать следующим образом: У(1) = йЕ. (1- е

Таблица 2.

т г 2т Зт 4т Jr

Y(t) 0.63GE 0.86GE 0.95GE 0.98GE 0.99GE

Обозначенные на рис. 3. параметры достижения 63% от конечного v..-<

значения (константа), Тг - ' нарастающее время (это время, требуемое для увеличения значения времени реагирования системы в пределах от 0,1 до 0,9), V установившееся время.

1 _ 2.31 0.11

т = -; Гг =---;

а а а

Тг = —; Тг = 2.2т;

а

4

Ts = - ; Ts = 4т а

т - время, необходимое для

Третья глава посвящена

Рис. 3. График времени реагирования системы за единицу времени (0 разработке общей структуры системы автоматического мониторинга технологических процессов на объекте по производству серы. Основной задачей такой системы для рассматриваемой предметной области является обеспечение бесперебойной и безопасной работы на всех этапах производства при выполнении технологических процессов по

выпуску серы. Информационный поток данных, передаваемый от измерительных приборов в локальную базу данных ДП АСУТП с заданной частотой, должен прослеживаться, обрабатываться и контролироваться оператором-технологом в режиме реального времени. Для предотвращения возникновения нештатных ситуаций, связанных с пожаром и проблемами с

Рис. 4. - Схема автоматизированного управления технологическими процессами производства серы

1. Поддерживать на постоянной основе поток информации между компонентными составляющими в режиме реального времени.

2. Определить модель функционирования каждого компонента с заданной частотой отправки и получения информации.

3. Настроить компьютер на получение и обработку данных от измерительных приборов. Если получаемый сигнал имеет отклонение от нормали, то проинформировать об этом оператора-технолога в виде появления в программном окне компьютера соответствующего сообщения.

4. Своевременно обновлять и сохранять информационные данные, а также иметь возможность печатать различные отчеты о работоспособности приборов.

5. Обеспечить систему с поисковиком и выходом в Интернет для пользователей (руководства, главных специалистов, находящихся за пределами производственного объекта).

Основные функции системы автоматизированного мониторинга технологических процессов производства серы, управляемой оператором-технологом в диспетчерском пункте в реальном масштабе времени, следующие:

1- сбор текущей информации от контроллеров или других приборов и устройств, связанных непосредственно или через сеть с пультом оператора;

2- первичная обработка измерительной информации;

3- архивирование и хранение текущей информации в локальной БД и дальнейшая ее передача в серверную БД;

4- представление текущей и ретроспективной информации на дисплее (реализация динамических мнемосхем, гистограмм, анимационных изображений, таблиц, графиков, трендов);

5- выделение аварийных и предаварийных ситуаций с автоматической генерацией сигналов тревоги;

6- ввод и передача команд и сообщений оператора в контроллеры и другие измерительные устройства системы;

7- регистрация всех действий оператора (ручной запуск процесса, аварийная остановка, изменение настроечных параметров системы и т.д.);

8- регистрация всех ошибок и событий внутри системы управления (аппаратные тревоги, ошибки работы сети и т.д.);

9- защита от несанкционированного доступа и предоставление различных прав пользователям во время работы с системой;

10- печать отчетов и протоколов произвольной формы в заданные моменты времени, представление и запись аварийных ситуаций в моменты их возникновения;

11- решение прикладных программ пользователя и их взаимосвязь с текущей измеряемой информацией и управленческими решениями;

12- информационные связи с серверами и другими рабочими станциями через разные сетевые структуры (интернет).

Производство серы является сложным технологическим процессом, где взаимодействуют друг с другом различные объекты. На основе базового алгоритма программно-управляющего комплекса контроля технологических параметров разработаны частных задач._

-обратная связь—

автоматизированного алгоритмы решения

обратная связь

измерение

Установка удаленного входа

нагретая вода

-измерение сигнала-

Измерение и система управления с прямой связью

регулируемый^ пераметр

_регулируемый

параметр

Контроль

♦Щ1

-измерение сигнала-

воздух

-обратная связь-

Измерение давления в скважине

Скважина Резериуар серы(119)вС

112.6-119 °С

119°С

Рис. 5. Структурная схема производства серы

Алгоритм работы датчиков сжатого воздуха. В Республике Ирак широкое распространение при производстве серы получил метод Фраша. Технологическая установка по методу Фраша, в принципе проста: труба в трубе. Метод Фраша - это способ разработки месторождений самородной серы посредством подачи нагретой воды (или нагретого пара) (теплоносителя) и сжатого воздуха по скважинам в залежь, расплавления и извлечения серы на поверхность в жидком виде (рис.6). После очистки жидкая сера содержит до 99% полезного компонента. Метод Фраша используется для разработки серных месторождений в России, США, Мексике, Польше, Ираке. При разработке богатых руд этот метод весьма эффективен.

поверхность Земли

Богатая серой Серная скважина порода I

смесь воды и

ВОЗДУХ ВЫСОКОГО ДАВЛ! ИИЯ ПАР

фунтовая вода

глубина скважин

ПАР McraoMETcm

ВОЗДУХ ПОДНИМАЯ (Т РУ ВВЕРХ

Рис. 6. Входные/выходные скважины при добыче серы. Давление внутри скважины (Р) h2

Р=-Ьаг h2 = h - hi

где h — общая глубина скважины, hx — глубина залегания подземных вод серы, h2 — глубина скважины.

Давление воздуха внутри скважины = (23 ...25) bar; Если давление в скважине > 9 bar, то начинается производство, в противном случае нужно ждать повышения давления в скважине (рис.7). TiMax = Мах (Ti/t Ti2, Ti3, ... , TiJ Tkm = Min (Ti,, Ti2, Ti3, ••• , TiJ

PiMax = Max (Pi,, Pi2, Pi,.....PiJ

PiMn = Min (Pi,, Pi2, Pi3.....PiJ

С Уа/ие> [Р1Шх\\ 77м,,] 1 /0)=< Уа1ие < [Р1Мт (( ПМт] -1

Другой 0 (5)

где /(0 - функция 0), 71 - температура (I) , /V- давление (У) , (I) - {сера, сжатый воздух, нагретая вода и пар}, [1]- /(¡)> максимум, [0]-/0)=нормально, [-1 ]-/0)< минимум.

Рис. 7. Эталонный датчик (давление в скважине) Схема алгоритма работы датчиков сжатого воздуха выглядит следующим

нР ..

* нагретой вода (м') Сжатый воздух (м1) Производство сера (тон)

и Время

Рис. 9. Схема алгоритма управления скважиной

Алгоритм определения количества серы в резервуаре. Шаги процесса сернокислотной переработки следующие:

• Освободится от воды, которая находится в сере.

• Увеличение температуры серы от 112.8°С до 119 °С.

• Мониторинг уровня серы в резервуарах.

При производстве серы на объекте-3 находятся несколько резервуаров (цистерн) для получаемой серы. Эти цистерны имеют определенный, заданный объем, вследствие чего возникает необходимость в непрерывном контроле выходного количества потока серы и уровня серы в резервуаре (рис.10).

Обратите внимание, что все

Вход-|Н1-

Вход Клал»

т

1'

Выход

Щ—.тт.'.

1 ' ..............ж

14 скважин подают серу в один резервуар, размеры резервуара = 8 х 4x2.5.

Масса резервуара= 8 х 4 х 2.5 х 1.78= 142.4 т.

На рис. 10 представлена схема поступления и заполнения уровня резервуара серой.

Состояние уровня серы в резервуаре может быть

характеризовано тремя частными случаями (рис.11):

1) уровень серы остается неизменным, если скорость поступления серы в резервуар равна скорости выхода серы из резервуара (£>,„ = £>„„,); Д Уом = Д .... исли [д,„, й„(7 = 0;

.......'-.I—

Выход Клапан

Рис. 10. Схема системы контроля уровня серы в резервуаре

\

1 1 1 ^

1 2345(719 10

Время, чес

Рис. 11. График изменения уровня серы в резервуаре за единицу времени

резервуаре, м; От - скорость потока потока выходящей серы, м/с; Д1 -

2) уровень серы в резервуаре будет уменьшаться, если скорости выхода серы из резервуара больше, чем скорость поступления серы в резервуар (Qm < Qa„); Д V = Д V + [Qin

- QmJ;

3) уровень серы в резервуаре будет увеличиваться, если скорости выхода серы из резервуара меньше, чем скорость поступления серы в резервуар (Q,„ > Qoni ).АУ = АУ + [Qm

- QouJ-

Общее уравнение уровня жидкости определяется по формуле:

AV=(Qm-QrJ .At, где ДУ - изменение уровня серы в входящей сера, м/с; Qou, - скорость промежуток времени.

Изменение уровня жидкости в резервуаре (Ah) определяется как отношение объема расхода серы (Ду) к площади резервуара (А):

Определение кривой (время реагирования) может быть отражено в трех частных случаях (образец переходной характеристики, время нарастания, выброс, время установления и стационарное значение эксплуатационных свойств) (рис.12).

Основной вид уравнения второго порядка выглядит следующим образом:

s2 + as + b

а = 2%от ; b = от2,

где £ - коэффициент демпфирования, соп - частота.

Алгоритм определения

количества серы в резервуаре состоит в выполнении ряда шагов (рис.13).

Шаг 1. Определение времени реагирования в трех частных случаях:

1. Когда 0 < £ 1. кривая линия неустойчива.

2. Когда \ = 0, кривая линия устойчива.

3. Когда 4 > 1, критическое затухание кривой.

Стандарт второго порядка системы co0t.

Шаг 2. Определение максимального выброса (Maximum overshoot)

1.5

0.5

II 7 ° \

5 10 «Kit 15

Рис. 12. График реагирования системы за единицу времени

s _ g-fn/yw? .100% 0 < f < 1 Шаг 3. Расчет пика времени (Peak time) tp =

Шаг 4. Расчет выдержки времени (Delay time)

g 1+ 0.6f+0.1Sf2

Шаг 5. Определение времени нарастания (Rise time)

0.8+ 2.5f

0 < f < 1.

1+ 1.1{+1A{2 <»n

Шаг 6. Определение времени установления (Settling time) Шаг 7. Индекс демпфирования (Damping index),

41

diz± = 1 _ e

(>1.

^ Конец ^

Рис. 13. Схема алгоритма определения количества серы в резервуаре

Основной функцией программируемого логического контроллера (ПЛК) является постоянное сканирование программы. Процесс сканирования состоит из трех основных этапов.

Этап 1: тестирование состояния входных данных. На первом этапе ПЛК проверяет каждый из входных сигналов и определяет статус подключения. Говоря иначе, ПЛК проверяет: является ли датчик или коммутатор включенным, или нет. Таким образом, на этом этапе информация сохраняется в памяти для последующего использования.

Этап 2: программирование исполнения. На этом этапе ПЛК выполняет команды программы в соответствии с инструкцией, основанной на информации, полученной на предыдущей стадии, и принимаются соответствующие действия. На данном этапе происходит активация определенных выходов и результаты могут откладываться и сохраняться в памяти, чтобы получить их позднее в следующих этапах.

Этап 3: проверка и корректировка состояния выходных данных. На заключительном этапе ПЛК проверяет и корректирует выходные сигналы.

Корректировка выполняется в зависимости от состояния входных данных, которые были получены на первом этапе, а также на основании результатов, полученных на 2 этапе. После выполнения действий на третьем этапе ПЛК возвращается в начало цикла и все действия повторяются.

В диссертации выполнен полный цикл проектирования базы данных и разработана концептуальная модель базы данных «Система мониторинга технологических процессов при производстве серы», а также ее реляционная схема (рис.14).

Рис. 14. Реляционная схема данных БД «Система мониторинга технологических процессов при производстве серы»

Проведенные исследования и полученные результаты моделирования позволяют реализовать выдвинутую концепцию создания автоматизированной системы управления для мониторинга серы в составе комплексной АСУ и производства серы на базе стандартной СУБД SQL Server и универсальных статистических пакетов.

В четвертой главе содержится описание разработанного программно-управляющего комплекса на базе технологии «клиент-сервер» (рис.15).

КЛИЕНТ СЕРВЕР

Рис.15. Схема структуры программно-управляющего комплекса

В ходе диссертационной работы были выполнены экспериментальные исследования на действующем заводе по производству серы в г. Мосул (Мишрак) в Республике Ирак. Была выполнена реализация архитектуры информационной системы по технологии «клиент-сервер» на объектах 2 ,3 и 4 (рис.16).

Программно-управляющий комплекс обладает следующими преимуществами:

1. Обеспечение более широкого доступа к существующим базам данных.

2. Повышенная общая производительность системы за счет физического нахождения «клиента» и «сервера» на разных компьютерах.

3. Сокращение коммуникационных расходов.

4. Повышение уровня непротиворечивости данных.

Разработан интерфейс пользователя автоматизированной системы мониторинга технологических процессов производства серы, который рассчитан на оператора (пользователя), обладающего начальными навыками работы с персональным компьютером (рис.17).

ОБЪЕКТ-2 ОБЪЕКТ-1

Рис.16. Взаимодействие промышленных объектов производства серы в г.Мосул

Разработанное программное обеспечение внедрялось в АСУТГ1, и обеспечивало слежение в автоматизированном режиме за уровнем параметров температуры и давления датчиков, установленных на двигателях и насосах высокой мощности.

При необходимости представленный программно-управляющий комплекс АСУТП самостоятельно корректирует значения переменных путем регулирования клапанов безопасности. В случае положительного результата проверки модели на контрольных данных полученная модель может передаваться другим предприятиям и организациям.

Основными критериями эффективности достижения цели в работе являются:

- определение степени достоверности получаемых результатов на основе сравнительного анализа;

- снижение трудоемкости процесса обработки информации;

- повышение скорости обработки данных и, как следствие, повышение скорости принятия решений;

- упрощение доступа к получаемой информации.

Masler Speaker Slandor llupoil Mangemenl Store Employ ADCD Diclionaiy коммуникация

Темп. Даал. Темп. Даол. Тешп. Дэвл. Темп. Даол

L_jIZD L JL. J 31 1 HjLZJ Г~1~.....

¡m ш miz:

___j

пар | воздух ¡ воды

V'ft mS iirWi ¡(tfi ¡¡у

НИ ГЛЕИ CZJCZI ¡ "IlZD LJL_J í........JCZ] □□ НГ

8 С

пар

воздух

воды

агж

сиз

3EZ3 Г

1 С

L_ri I ¡EZ3 CZJCZ]

L Л.....I

сера пар воздух воды

Г К..............1 гн

í.................1.......! [73 i

Liji::::] ¡ i

ЗШ '--LZT1

'11 ! ' JL J □СИ! GDCZD

пар воздух

ЙОДЫ

У'Л ("Л ./'у

Рис. 17. Интерфейс пользователя АСУТП производства серы

Ожидается, что применение разработанных методик, алгоритмов и созданного на их основе информационного обеспечения и программного комплекса позволит значительно повысить эффективность управления процессами производства серы. Внедрение системы позволит существенным образом снизить трудозатраты работников и значительно снизить количество ошибок.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Решена важная научно-практическая задача повышения эффективности работы предприятий по производству серы за счет разработки и внедрения методов и алгоритмов автоматизированного мониторинга технологических процессов, имеющая значение для развития промышленного производства в Республике Ирак.

2.Проведенный обзор автоматизированных систем управления технологическими процессами позволил определить общие требования и рекомендации к организации управления процессом производства серы. Анализ предметной области показывает отсутствие программно-управляющего комплекса, работающего на базе АСУТП, который осуществляет единый мониторинг технологических процессов производства серы в Республике Ирак.

3. Разработаны математические модели и методика расчета времени обратной связи в системе между контролируемыми датчиками и программно-управляющим комплексом АСУТП «Система мониторинга технологических процессов при производстве серы». Дана теоретическая оценка интенсивности потоков данных от контролируемых приборов в распределенной АСУТП.

4. На основе базового алгоритма программно-управляющего комплекса разработаны алгоритмы автоматизированного мониторинга технологических процессов добычи и производства серы: алгоритмы работы датчиков сжатого воздуха, управления скважиной, определения количества серы в резервуаре, доступа к серверу через веб-интерфейс.

5. Разработана концептуальная модель базы данных «Система мониторинга технологических процессов при производстве серы» и программный интерфейс пользователя комплекса, внедренного в АСУТП.

6. Предложена методика автоматизированного мониторинга технологических процессов производства серы в реальном масштабе времени.

Показано, что дальнейшие исследования целесообразно проводить в направлении использования разработанных методов и алгоритмов для повышения автоматизации процессов функционирования диспетчерского пункта АСУТП в части формирования отчетных документов о нештатных ситуациях и передачи в БД для последующего быстрого реагирования.

Публикации по теме диссертационной работы I. Научные публикации в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК

1. Карим Д.А.Х. Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом производства серы в резервуаре / Карим Д.А.Х., Николаев А.Б. // Вестник МАДИ. - 2014. - С. 66-71.

2. Nikolaev A.B., The algorithms of technological processes of manufacture of sulfur / Nikolaev A.B., Karim D.A.H. // Life Science Journal. - 2014. №.4 - C. 361364.

3. Карим Д.А.Х. Автоматизированная система дистанционного контроля и управления технологическими процессами втрубопроводах при производстве серы в Республике Ирак/ Карим Д.А.Х., А.Б. Николаев // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2014,- № 5. - С. 12-17.

II. Научные публикации в прочих изданиях

4. Карим Д.А.Х. Распределенная информационная система мониторинга технологических процессов при производстве серы/ Карим Д.А.Х., Николаев А.Б. // Автоматизация и управление в технических системах (АУТС). - 2014. -№2.-С. 167-175.

5. Карим Д.А.Х. Контроль и мониторинг эксплуатационных скважин серы в Республике Ирак / Карим Д.А.Х., Николаев А.Б.// Автоматизация и управление в технических системах (АУТС).-2014. - №2.-С. 176-183.

6. Карим Д.А.Х. Контроль и мониторинг бойлера в промышленной установке при производстве серы в Республике Ирак / Карим Д.А.Х., Николаев А.Б. // Автоматизация и управление в технических системах (АУТС). - 2014. -№1-2. -С. 70-76.

Подписано в печать: 04.07.2015 Объем: 0,8 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 32 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г.Москва, пр-т Вернадского, д.39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

1 5 — 8 4 9 8

2015675124

2015675124