При производстве этаноламина возникает необходимость максимизировать одну или две фракции на стадии синтеза. Это позволит снизить энергозатраты на разделение фракций на стадии ректификации [1].
Это достигается благодаря разработанному приборно-программному аналитическому комплексу. Принципиальная схема комплекса представлена на рис. 1.
Приборно-программный аналитический комплекс включает два аналитических контура технической диагностики и автоматического регулирования
В первом контуре комплекса на основе хроматографической информации о составе фракций этаноламина микропроцессорный контроллер с эксклюзивной программой на основе детерминированной математической модели обеспечивает регулирование расхода окиси этилена с целью формирования на выходе реактора-смесителя в соответствии с целевой функцией максимального значения концентрации моноэтаноламина.
Рис. 1. Принципиальная схема приборно-программного аналитического комплекса стадии синтеза в производстве этаноламинов
Детерминированная математическая модель имеет вид
(1)
где ОЭ – концентрация окиси этилена; МЭА – концентрация моноэтаноламина; ДЭА – концентрация диэтаноламина; ТЭА – концентрация триэтаноламина; NH3 – концентрация аммиака; FОЭ – расход окиси этилена.
В установившемся режиме работы реактора математическая модель представляет систему нелинейных алгебраических уравнений:
(2)
На основе уравнений (2) проводится программирование микропроцессорного контроллера, на вход которого поступает информационный аналитический сигнал от промышленного хроматографа.
Второй контур комплекса обеспечивает регулирование расхода пара на основе регрессионной математической модели с целью уточнения концентрации моноэтаноламина на выходе стадии синтеза.
Оптимальный состав реакционной смеси на выходе из узла синтеза (после аппарата вытеснения) достигается регулированием температуры в реакторе вытеснения за счет подачи пара, определяемой с помощью регрессионной математической модели:
Fпар = 10,2776 – 0,015(МЭА). (3)
Эта модель также используется для программирования микропроцессорного контроллера на стадии реактора вытеснения.
Разработан алгоритм технической диагностики и оптимизации фракции МЭА (рис. 2).
Важным звеном приборно-программного аналитического комплекса служит промышленный хроматограф GC 1000 MARK II, обеспечивающий первичную функцию технической диагностики. Благодаря наличию клапана ввода жидкой пробы реакционной смеси этаноламинов и уникального испарителя становится возможным анализ фракций этаноламинов. Выходной сигнал GC 1000 MARK II в виде аналогового сигнала поступает в управляющую станцию хроматографа и далее после преобразования в цифровую форму поступает в контур регулирования расхода ОЭ.
Хроматографический комплекс GC 1000 MARK II как основное средство технической диагностики имеет специализированное программное обеспечение, позволяющее получить на выходе информацию о процентном составе фракций этаноламинов. Это программное обеспечение согласовано с программным обеспечением микропроцессорных контроллеров. Эксплуатация, обслуживание и техническая настройка значительно упрощены благодаря реализации эффективного интерфейса и программного обеспечения Maintenance Terminal.
При каждом анализе фракций этаноламинов проводится предварительная внутренняя диагностика хроматографического комплекса, результаты которой отображаются на экране.
В хроматографе используется анализаторная шина, которая позволяет строить единую систему обслуживания. Выходная информация анализаторной шины с помощью сетевого серсера и специализированных плат используется для формирования выходных команд и выполнения других функций. Анализаторная шина при организации промышленного аналитического мониторинга, например, в производстве этаноламинов позволяет создать эффективную техническую диагностику процесса.
Хроматограф GC 1000 MARK II обеспечивает контроль концентрации фракций этаноламинов в диапазоне от 10 ppm до 100 %. Воспроизводимость показаний ±1 %.
Таким образом, хроматографический комплекс GC 1000 MARK II, обеспечивая первичную техническую диагностику фракций этаноламина, в соответствии с алгоритмом обработки математической модели микропроцессорным контроллером, способствует эффективной работе приборно-программного аналитического комплекса по технической диагностике процесса и коррекции фракций этаноламинов [2].
Обеспечение задач технической диагностики и управления процессом синтеза этаноламинов в настоящей работе производится посредством микропроцессорного контроллера типа SIMATIC S7-400 (Siemens). Данный контроллер – SIMATIC S7-400 имеет широкий спектр функций программно-логического управления и аналогового регулирования.
Рис. 2. Алгоритм технической диагностики и оптимизации фракции МЭА
Контроллер удовлетворяет следующим требованиям:
- способность без предварительного преобразования принимать аналоговые сигналы 4–20 mA;
- способность коммутации на дискретных выходах до ~ 220 В (для того чтобы напрямую управлять электропневмоклапанами);
- возможность с минимальными затратами организовать независимый прием и выдачу сигналов технологического процесса.
Монтаж модулей контроллера SIMATIC S7-400 производится на так называемом «монтажном рельсе» с 11-ю слотами расширения, обозначаемом в дальнейшем «каркас».
Процессорный модуль CPU 414-2 контроллера SIMATIC S7-400 располагается в слоте № 2 основного каркаса (каркас 0) и поддерживает до 3 каркасов расширения. Слоты № 4–11 всех каркасов служат для размещения модулей ввода-вывода, причем контроллеры SIMATIC могут принимать все виды унифицированных входных сигналов по току и напряжению, сигналы термопар и термометров сопротивления с различными видами номинальных статических характеристик: вид входного сигнала выбирает пользователь при монтаже контроллера, а не при заказе (кроме взрывозащищенных модулей). Питание модулей ввода-вывода и процессорного модуля осуществляется напряжением = 24 В от блока питания PS407, подключаемого к слоту № 1 каждого каркаса. При помощи модуля IM360, устанавливаемого в каркасе 0, и модуля IM361, устанавливаемого в каркасах расширения, осуществляется связь между каркасами.
Все процессорные модули контроллеров S7-400 имеют встроенный интерфейс MPI. Подключение контроллера SIMATIC к станции оператора на основе IBM-совместимого компьютера производится с помощью платы CP443-1, которая устанавливается в слот системной шипы PCI. Плата СР443-1 – это адаптер для связи станции оператора с контроллером, он позволяет использовать станцию оператора в качестве программатора. СР441 – коммуникационный процессор с интерфейсом RS 232. Станция оператора и микроконтроллер полностью совместимы и аппаратно, и программно. Станция оператора размещается в помещении ЦПУ. В АСУТП станция оператора выполняет следующие функции:
- предоставление оператору информации о текущей стадии процесса и о текущих значениях технологических параметров;
- архивирование технологической информации;
- регистрация хода технологического процесса в форме периодически выдаваемых операционных листов;
- сообщение об аварийных и предаварийных ситуациях;
- регистрация действий обслуживающего персонала.
Для решения этих задач фирмой Siemens предлагается открытая система визуализации (SCADA) WinCC, полностью совместимая с контроллерами серии S7. SCADA WinCC состоит из среды разработки и среды исполнения проекта, работающей в режиме реального времени. Ядро среды разработки WinCC образует нейтральная по отношению к отраслям промышленности и технологиям базовая система, которая оснащена всеми важнейшими функциями визуализации и обслуживания. WinCC включает в себя следующие программные компоненты:
- Control Center – для быстрого обзора всех данных проекта и глобальных установок;
- Graphics Designer – для создания мнемосхем и динамических графических объектов изображений процесса;
- Alarm Login – для сбора и архивации событий в системе;
- TagLogging – для архивирования измеряемых величин. Данные из архива могут визуализироваться в виде трендов и таблиц;
- Report Designer – для генерации отчетов по времени в свободно программируемом формате;
- Global Scripts – для программирования действий, производимых с объектами;
- User Administration – для управления правами доступа пользователей.
Программное обеспечение контроллера SIMATIC S7-400 разрабатывается в среде программирования Step 7. Step 7 позволяет последовательно пройти все стадии: от проектирования аппаратной конфигурации контроллера и написания пользовательского программного обеспечения до программного теста и архивации проекта.
Программная часть системы управления включает два уровня (рис. 3):
- нижний уровень – программа микропроцессорного контроллера;
- верхний уровень – исполняемый модуль среды визуализации.
Рис. 3. Структура программного обеспечения
Каждый уровень программного обеспечения включает среду разработки и исполняемую часть. Исполняемые части уровней контроллера и станции оператора обмениваются между собой данными. С учетом структуры на рис. 3 предложена укрупненная структура взаимодействия программного обеспечения системы управления (рис. 4).
Рис. 4. Структурная информационная система определения состава фракций этаноламина
В соответствии с рис. 4 выходной сигнал GC 1000 MARK II в виде аналогового поступает в управляющий программный модуль и далее после преобразования в цифровую форму в блоке контроллера передается в АСУТП. В этом случае выходная информация хроматографического комплекса становится доступной как для станции оператора, так и для микропроцессорного контроллера, который формирует управляющие воздействия. Как видно, эта структура включает три основных блока: блок формирования файлов для передачи информации о параметрах процентного состава сырьевых потоков по целевым компонентам, блок формирования файлов контроллера для передачи информации о параметрах технологического процесса и блок формирования визуализации, архивирования станции оператора и команд для контроллера.
Рецензенты:
Луконин В.П., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация и информационные системы» Дзержинского политехнического института (филиал) НГТУ, г. Дзержинск;
Никандров И.С., д.т.н., профессор кафедры «Автомобильный транспорт и механика» Дзержинского политехнического института (филиал), ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Дзержинск.
Работа поступила в редакцию 06.10.2014.
Библиографическая ссылка
Сажин С.Г., Пенкин К.В. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ФРАКЦИЙ ЭТАНОЛАМИНА НА ОСНОВЕ ПРИБОРНОГО КОМПЛЕКСА // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11-2. – С. 285-290;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35513 (дата обращения: 18.04.2024).