Автоматизация насосного оборудования нефтяных месторождений

 

 

2.2.4 Датчика измерения расхода

 

Мной был выбран датчик расхода Метран-350.

 

Рис. 3

 

Расходомеры на базе осредняющей напорной трубки Annubar предназначены для измерения расхода жидкости, газа, пара в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности, а также в системах технологического и коммерческого учета.

Принцип действия расходомеров основан на измерении расхода среды (жидкости, газа, пара) методом переменного перепада давления с использованием осредняющей напорной трубки (далее ОНТ) Annubar. ОНТ Аnnubar 485 представляет собой погружную конструкцию, использующую в основе профиль T-образной формы. Такая конструкция применяется для измерения расхода в трубах с Dу от 50 до 1800 мм.

Annubar 485 устанавливается фронтальной частью навстречу потоку, пересекая его по всему сечению. В центре фронтальной поверхности профиля, по всей его длине симметрично относительно центра оси трубопровода располагаютcя щелевидные пазы, осредняющие скорость потока измеряемой среды и воспринимающие давление торможения, которое передается в «плюсовую» камеру р1.

Важно то, что благодаря замене точечных отверстий щелевидными пазами, осреднение скорости стало более полным и точным, а сама ОНТ меньше засоряется.

Фронтальная часть профиля T-образной формы широкая и плоская, поэтому точка отрыва потока более стабильна (значит, стабильнее сигнал перепада давления), а зона повышенного давления перед профилем более обширна. В результате, сигнал давления, передаваемый камерой р1 на измерительную мембрану датчика, на T-образном профиле выше, чем на других формах профилей при том же расходе. По всей длине Annubar 485 с тыльной стороны профиля расположены отверстия, воспринимающие давление разрежения, которое передается в «минусовую» камеру p2. Благодаря вогнутости тыльной стороны Т-образного профиля, мертвые зоны за ним также больше, чем на других профилях

Технические характеристики:

Измеряемые среды: жидкость, газ, пар

Температура измеряемой среды:

40...400°С C интегральный монтаж  датчика,

187...677°С C удаленный монтаж  датчика

Избыточное давление в трубопроводе до 25 МПа

Диаметр условного прохода Dу 12,5...1800 мм и более

Пределы измерений расхода рассчиты для конкретного техпроцесса

Динамический диапазон от 5:1 до 14:1

Пределы основной относительной погрешности измерений расхода до ±1%

Выходной сигнал 4C20 мА/HART

Наличие взрывозащищенного исполнения

Межповерочный интервал 2 года

 

 

2.2.5 Датчик разности давления

 

Мной был выбран датчик разности давления САПФИР-22 ДИ.

 

Рис. 4

 

Датчик избыточного давления САПФИР 22ДИ используют для бесперебойного и непрерывного измерения избыточного давления масла, воздуха, воды, кислорода, газа и других веществ и преобразования данной величины в цифровой либо аналоговый унифицированный сигнал постоянного тока на выходе. Преобразователь САПФИР 22 ДИ работает таким образом, что при воздействии избыточного давления на мембрану измерительного блока, а для моделей САПФИР 22 ДИ 2151, САПФИР 22 ДИ 2161, САПФИР 22 ДИ 2171 на мембрану тензопреобразователя, происходит деформация чувствительного упругого элемента и в связи с этим меняется сопротивление тензорезисторов тензопреобразователя. Данное изменение от измерительного блока тензопреобразователя САПФИР 22 ДИ передается на электронный преобразователь и затем с него уже на вторичную аппаратуру в виде одного из токовых сигналов 4-20мА 0-5мА 5-0мА 20-4мА 0-20мА 20-0мА. Завод-изготовитель производит САПФИР 22 ДИ в общепромышленном исполнении, искробезопасном САПФИР 22 ЕХ ДИ, взрывозащищенном САПФИР 22 ВН ДИ, атомном САПФИР 22 ДИ ВН А и кислородном исполнении САПФИР 22 ДИ ВН К для измерения избыточного давления кислорода и кислородсодержащих смесей.

Преобразователь состоит из измерительного блока и электронного устройства. Преобразователи различных параметров имеют унифицированное электронное устройство и различаются конструкцией измерительного блока. Измеряемый параметр подается в камеру измерительного блока и линейно преобразуется в деформацию чувствительного элемента и изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, размещенного в измерительном блоке. Электронное устройство преобразователя преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал 0-5 и 4-20 мА .

Каждый преобразователь имеет регулировку диапазона измерений и может быть настроен на любой верхний предел измерений, указанный для данной модели. При выпуске преобразователь настраивается изготовителем на верхний предел измерений, при этом нижний предел измерений равен 0.

Принцип действия преобразователей основан на воздействии измеряемого давления (разности давления) на мембраны измерительного блока (для моделей 2051, 2144, 2145, 2151, 2152, 2153, 2161, 2162, 2163, 2171, 2172, 2173, 2174, 2351 - на мембрану тензопреобразователя), что вызывает деформацию упругого чувствительного элемента и изменение сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя.  Измеряемый параметр подаётся в камеру измерительного блока и линейно преобразуется в деформацию чувствительного элемента и изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, размещённого в измерительном блоке.

Электронное устройство измерительного  преобразователя  преобразует изменение сопротивления в токовый выходной сигнал. Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми плёночными тензорезисторами, прочно соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя.

Измерительный преобразователь  состоит из измерительного блока и электронного устройства. Преобразователи различных параметров имеют унифицированное электронное устройство и отличаются лишь конструкцией измерительного блока.

 

 

2.2.6 Управление задвижками и клапанами

 

В качестве исполнительного механизма был выбран МЭП-2500/6300.

Основные преимущества МЭП это соотношение цены и качества, стабильность характеристик. Кроме того он более удобен в обслуживании.

Принцип действия исполнительного механизма заключается в преобразовании электрического сигнала, поступающего от регулирующего или управляющего устройства, в перемещение выходного элемента, передающего перестановочное усилие или момент регулирующему органу.

Механизмы устанавливаются вблизи или на регулирующих органах и связываются с ними посредством тяг, рычагов, шпинделей, штоков или других силовых конструкционных элементов.

При использовании во взрывоопасной зоне механизм должен поставляться в комплекте с датчиком положения во взрывозащищенной оболочке.

 

3 Программируемый логический контроллер

 

3.1 Обоснование  выбора контроллера

 

Рынок промышленных контроллеров может предложить покупателю широкий спектр всевозможных моделей различных фирм – производителей, как отечественных, так и зарубежных. Анализируя предложение, приходим к тому, что наиболее подходящими по таким параметрам, как функциональные возможности, программное обеспечение и развитая архитектура, являются контроллеры ведущих мировых фирм: Advantech, Siemens, Scada  Pack, Allen-Bradley (Rockwell).

Произведем анализ стоимости контроллеров приблизительно равной конфигурации, среди них: MIC 3000 («Advantech», Германия), ScadaPack RS–485 («Control Microsystems Ins», Канада) и SLC–500 (Rockwell Automation, США), данные по стоимости и анализ характеристик аппаратных средств приведены ниже в таблице 1.

Таблица 1 – Стоимость и характеристики аппаратных средств

Показатель	Фирма – производитель
	«Control Microsystems Ins», Канада	«Siemens», Германия	«Rockwell Automation», США
1	2	3	4
Тип процессора	SCADAPack Plus	S7–400	SLC–5/04
Тип монтажа	DIN рейка	Монтажная рейка. 32 модуля в 4 ряда	Шасси на 4, 7, 10, 13 модулей
Выбор модулей	Более 20+встроенные I/O Отсутствуют модули AI 8-канальные, DI 32-канальные, модули ввода/вывода	Более 30 модулей. Есть спец. Модули	Более 48 модулей. Весь спектр + спец.модули
Источник питания	Один: 5В/1А; 24В/0,5А	3 типа: 4А, 10А, 20А.	4 типа: 2¸10А/5В 0,46¸2,88/24В
Встроенные порты	RS-232, RS-485	MPI/DP	RS-232, DH-485, DH+
Температурный режим	–400  ÷  700 С (влажность до 95%)	00  ÷  600 С (без точки росы)	00  ÷  600 С (неконденсир. Влажность 5¸95%)
Средства программирования	RLL, C, ANSI C.	STEP 7, CFCS7, S7-GRAF	RSLogix500, A.I.Series
Цена, руб	7 292 998	271 932	499 039

 

 

Преимущество в цене, но не в качестве имеют германские контроллеры. Поэтому в данном проекте использован контроллер серии SLC-500 импортной фирмы Allen-Bradley,  в полной мере отвечающий критерию цена/надежность.

Семейство SLC 500 предлагает широкий выбор модулей дискретного В/В, которые позволяют строить системы управления с минимальными затратами.  Наличие 32-канальных модулей В/В снижает, кроме того, требования к монтажному пространству.

Мощность и гибкость для реализации завершенных решений задач управления, мощный набор инструкций процессора, развитые инструментальные средства программирования, а также обширные возможности данных продуктов дают нам веские основания для выбора данных продуктов при построении систем автоматизации.

Программируемые контроллеры SLC-500 имеют встроенный порт сети  DH-485, обеспечивая тем самым программную поддержку и мониторинг.

Чем меньше отклонений от технологического режима и аварийных остановок объекта происходит за определённый промежуток времени, тем больше прибыли получает предприятие.

Важности критерием является время, необходимое на разработку и внедрение системы автоматизации. По этой причине более подходящими являются контроллеры фирмы Allen Bradley, так как их базовое программное обеспечение (пакет RSLogix500) отличается удобством в написании прикладных программ.

Разные контроллеры имеют свои недостатки и преимущества.

Преимуществами SLC-500 являются:

• время выполнение операции;
• расширенный набор инструкций;
• гибкость коммуникационной сети;
• широкий выбор устройств ввода/вывода;
• рассчитан на производственные условия;
• пакет программирования на платформе Windows.

В виду всего этого, контроллеры серии SLC-500 - исключительная надежность, подтвержденная в сотнях тысяч приложений, контроллеры данной фирмы имеют расширенную систему команд, включающие косвенную адресацию, широкие математические возможности и вычисление выражений и, конечно же, популярное решение для расширяемых приложений автоматизации.   Контроллеры серии SLC-500 — широко используются во всем мире, они зарекомендовали себя на рынке как самые популярные и продаваемые контроллеры.

 

 

 

 

3.2 Выбор проектной конфигурации  контроллера

 

Согласно перечню сигналов, контроллер должен обрабатывать следующее количество сигналов (с учетом резерва):

• входные аналоговые (AI) – 77, резерв – 11;
• входные дискретные (DI) – 78, резерв – 18;
• выходные дискретные (DO) – 56, резерв – 8.

Для этого необходима следующая конфигурация контроллера:

•  процессор SLC 5/04 с ёмкостью памяти 28К слов и дополнительными 4К для данных (каталожный номер 1747-L542);

•  одно шасси, 1шт. на 13 слотов (1746-А13);

•  три модуля ввода дискретных сигналов, 3шт.1746-IB32;

•  два модуля вывода дискретных сигналов, 2шт.1746-OB32;

•  шесть модулей ввода аналоговых сигналов 5шт.1746-NI16 и 1шт. 1746-NI8;

•  один источник питания 1746-Р2.

Расчет энергопотребления контроллера представлен в таблице 3.2

 

 

Таблица 2 – Расчет энергопотребления контроллера

№ шасси	№ слота	Каталожный номер	Потребляемый ток от шасси, mA		Описание
			5В	12В
1746-А13	0	1747-L542	1000	200	5/04 CPU
	1	1746-NI16	125	75	Аналоговый вход
	2	1746-NI16	125	75
	3	1746-NI16	125	75
1746-А13	4	1746-NI16	125	75
	5	1746-NI16	125	75
	6	1746-NI8	200	100
	7	1746-OB32	452	-	Дискретный выход
	8	1746-OB32	452	-
	9	1746-IB32	106	-	Дискретный вход
	10	1746-IB32	106	-
	11	1746-IB32	106	-
	12	-	-	-	Резерв
	Итого	I,A	3047	675	Блок питания
	БП	I,A	5000	960
	Запас	I,A	1953	285