Производство метионина , действует на ОАО «Волжский ЗОС» с 1964 г. и до сих пор остается единственным на территории СНГ (метионин – высококачественное органическое удобрение, в высокоочищенном виде – фармокопин – используется как пищевая добавка). В 1987 г. совместно с французской фирмой «Спейшим» было создано новое производство. Укрупнены линии и агрегаты и обеспечена непрерывность стадий получения метионина, повышен уровень автоматизации, использовано менее дефицитное сырье, сухие загрузки заменены на жидкостные. Это позволило довести производство до 21 тыс. т в год. И по сегодняшний день этот продукт является главным для завода, т.к. дает значительную часть прибыли. В 2000 г. руководством завода было принято решение о замене физически и морально устаревших щитовых приборов на современную систему управления. В результате анализа ТЭП систем различных производителей были выбраны средства управления на базе системы CENTUM CS 3000, предлагаемые фирмой «Yokogawa».

Состав задач АСУТП «Метионин»

Программное обеспечение АСУТП производства метионина по функциональному признаку можно разбить на 6 групп.
1. Управление непрерывным производством. Составляет главный объём работы.
2. Управление периодическими процессами (отделение сушки, очистки метана, центрифугирование метионина), управление автоматизированными складами (склады акролеина, цианистого натрия, метилмеркаптана (ММК)).
3. Управление пуском-остановом производства (отделение сульфата натрия).
4. Управление противоаварийной защитой. В рассматриваемой системе ПАЗ распределено по контроллерам системы.
5. Документирование процесса. Данные о процессе каждые два часа записываются в архив. Цикл ведения архива – один год. Формируются рапорты сменные, суточные для аппаратчика и старшего мастера, хозрасчетных показателей, движения сырья, расходных норм по сырью и ТЭП. Пользователь может в любое время получить документ за требуемый период, просмотреть его на экране и при необходимости напечатать. Если выбран период текущей смены, используются текущие данные процесса.
6. Вспомогательные задачи. Задача учета моточасов пробега электрооборудования рассчитывает время до следующего планового ремонта, капитального ремонта. Задача шунтирования блокировок и сигнализаций позволяет отключать действия блокировок при неисправном оборудовании или пусковом режиме. Задача учета нарушений технологического регламента позволяет совершенствовать мастерство операторов-технологов на действующем производстве.

Работы по автоматизации выполнялись в две очереди в течение 2001-2002г, примерно по полгода на каждую очередь. Всего автоматизированы девять отделений производства метионина.
Разработка и отладка ПО выполнена на ПК разработчика. Подключение разработанной системы к объекту управления и пусконаладочные работы производились во время остановки производства на ежегодный капитальный ремонт длительностью три недели.
В результате совместного труда разработчиков, специалистов фирмы Yokogawa, служб КИПиА создана уникальная система управления, отвечающая современным требованиям. О качестве программного и технического обеспечения свидетельствует то, что после начала промышленной эксплуатации этой системы, присутствия специалистов-разработчиков на объекте не потребовалось. В таблице представлены состав и количественная оценка элементов управления.


Структурная схема АСУ ТП показана на рис. 1.

Краткая характеристика системы CS3000, ее применение для автоматизации производств.
CENTUM CS 3000 относится к классу наиболее мощных микропроцессорных ПТК, практически не имеющих границ по выполняемым функциям и объему автоматизируемого объекта. ПТК предназначен для создания средних и крупных систем управления производством.
Рассмотрим основные достоинства системы.
Открытая среда для оптимизации всего предприятия. ЧМИ реализован через универсальные ПК, работающие на сетевой платформе NT, WINDOWS 2000. В системе может быть использовано до 256 станций управления. Количество тэгов, т. е. анализируемых параметров, в проекте может достигать 100000. Поддерживается до 2500 окон. Помимо этого можно использовать пользовательские приложения, разработанные на языке Visual Basic и других рабочих сред, WEB сервер, который позволяет клиентам сети (руководству подразделений) через стандартный Explorer получить мнемосхему или тренд, имеющиеся в проекте и заполненные актуальными данными. CENTUM CS 3000 использует высоконадежные контроллеры с двойным резервированием центрального процессора (CPU), коммутационных устройств, источников питания. Переключение из активного состояния в резервное и наоборот происходят без прерывания управления. ПО поддерживает устойчивую работу системы с диагностированием критических ситуаций. Контроллеры и станции операторов связаны между собой по V сети. Сеть V представляет собой шину управления в реальном времени, которая связывает станцию управления участком (FCS), станцию оператора (HIS) и инжиниринговую станцию (ENG) (рис.1). При использовании повторителей шины и оптических повторителей можно удлинить V сеть до 20 км. Кроме того, станции операторов связаны между собой и контроллерами сетью Ethernet, которая обеспечивает проведение корректировки конфигурации системы в рабочем режиме и позволяет осуществлять доступ других клиентов сети к данным системы CENTUM CS 3000. В системе CENTUM CS 3000 используются операторские станции (HIS) консольного и настольного типа. Станция оператора консольного типа включает двойные состыкованные экраны ЭЛТ (CRT) или ЖКД (LCD), сенсорную панель, пыле-брызгозащитную клавиатуру с управляющими и функциональными клавишами. Станция оператора настольного типа использует универсальный IBM PC с одним или двумя мониторами и также позволяет подключать пыле-брызгозащитную рабочую клавиатуру. Инжиниринговая станция предназначена для обеспечения проектирования, тестирования и отладки системы управления, загрузки ПО в контроллеры (FCS) и на станции оператора (HIS) в режиме OFFLINE, корректировки и загрузки исправленного ПО в режиме ONLINE.



Средства проектирования CS3000

Система CS3000 имеет мощные средства проектирования. Поддерживается параллельная работа нескольких пользователей. Широкий диапазон предлагаемых приложений позволяет реализовать управление непрерывным производством, управление сложными последовательностями операций, логическими схемами. Особенно следует отметить развитые функции тестирования. Проверять создаваемый проект можно, запуская виртуальные контроллеры и станции оператора на ПК в среде Windows. При этом достигается очень высокое приближение к реальному режиму системы. Описания к системе предоставлены в электронном виде, реализованы функции самодокументирования. Документация по системе переведена на русский язык. Состав функций управления и контроля приведен на рис. 2.
Основными элементами выполнения управляющих действий являются функциональные блоки, выполняющие непрерывное и логическое управление (таблицы последовательности и логические схемы), вычисления. Блоки непрерывного управления, вычислительные блоки и блоки логического управления взаимодействуют между собой аналогично обычной блок-схеме прибора (рис. 3-6).

Функциональные блоки непрерывного управления

Функции непрерывного управления (рис.3) обеспечивают реализацию разнообразных систем регулирования непрерывных процессов. В библиотеке есть различные ПИД регуляторы, от стандартного (PID), до самонастраивающегося (PID-STC), двухпозиционный регулятор (ONOFF), блок установки соотношений (RATIO) и другие – всего около 40 блоков.

Функциональные блоки логического управления

С помощью функций логического управления (рис.4) поддерживается управление в табличном (ST16) и схемном (LC64) виде. Предлагается достаточно широкий ассортимент вспомогательных блоков, обеспечивающих логическое управление: таймер (TMP), переключающие устройства (SIO), счетчик (CTS) и другие – всего около 30 блоков.

Функциональные блоки программного управления

Функции управления периодическим производством могут быть реализованы с помощью блока программного управления (SFC) (рис.5). Язык SFC описывает программу периодического процесса, определяя каждый из шагов последовательности. Допускаются параллельное исполнение шагов, прерывание шагов по событиям, изменения последовательности исполнения шагов по событиям. Описание действий каждого шага выполняется средствами языка SEBOL. Следует отметить , что средствами SFC можно организовывать связи с другими подсистемами такого типа, создавать гибридные приложения, которые не могут быть реализованы стандартными блоками.

Дополнительные функциональные блоки управления

В системе существует библиотека функциональных блоков общего назначения, которые можно использовать в различных системах управления: блок сложения (ADD), умножения (MUL), интегрирования (INTEG), накопленного среднего (AVE-C), универсальный вычислительный блок (CALCU) и другие – более 50 блоков. Блок CALCU позволяет выполнять самые разнообразные функции управления. Основой блока является программа, написанная на языке описания арифметических выражений.







Расширение средств проектирования

Наличие мощных интерфейсных средств обеспечивает пользователям создание собственных средств проектирования с использованием доступных языков программирования и СУБД. Нашими специалистами разработан пакет программ для проектирования периодических процессов. Программы управления разработаны на специальном языке и хранятся в таблицах Excel. Выполняются программы в режиме интерпретации в сетевой среде Windows. Обеспечиваются механизмы резервирования и безударного продолжения работы при неисправности станций оператора. Выполнение программ прекращается только при выходе из строя всех станций оператора, имеющих ОРС сервер. Для проектов, имеющих более двух серверов, обеспечивается высокий уровень надежности.

Управление узлом очистки метана

Рассмотрим в качестве примера систему автоматизации одной из стадий производства. Установка по очистке метана (рис.6) реализует достаточно сложный процесс системы очистки. Процесс отличается большой скоростью, высоким давлением и расходами газа, а также большим количеством управляемых элементов (более 20 клапанов).
Для очистки газа от примесей, влияющих на качество продукта, его пропускают через молекулярные сита. Этот процесс продолжается до насыщения адсорбента примесями. Затем поток газа переключается на другой адсорбер, а загрязненный адсорбент регенерируется продувкой чистого газа, который идет на сжигание. Для обеспечения непрерывности процесса используются четыре адсорбера.
На рис.7 показаны примерные диаграммы зависимости давления в адсорберах от времени (масштаб времени не выдержан ). Как видно из графиков, каждый аппарат последовательно проходит восемь стадий. По этим же диаграммам можно представить ход ТП.

При разработке управляющей программы установки по очистки метана необходимо было обеспечить ее высокую надежность. Для этого использовались два уровня – программный и технический. Технический уровень надежности обеспечила фирма YOKOGAWA – контроллеры с источниками бесперебойного питания, дублирование всех элементов управления и передачи данных, новейшие надежные рабочие станции от ведущих мировых производителей (DELL). Надежность программной части означает необходимость работы без сбоев и ошибок.
Программа должна была учитывать следующие факторы: непрерывность процесса требовала обеспечить корректный останов для любого шага, возможность продолжения работы после останова с того же шага и с того же состояния таймеров и клапанов, переключение адсорберов. Поэтому была составлена таблица состояний для всех элементов процесса в зависимости от времени . На рис. 8 представлена часть таблицы состояний процесса. В результате получилось 44 различных шага. Программа может выполняться, начиная со стадии адсорбции, для каждого из четырех адсорберов или продолжать работу с любого места после останова и перезапуска без выбора другого адсорбера. Функции управления данным циклическим производством были реализованы с помощью блока программного управления последовательностью (SFC).
На рис. 5 представлен пример последовательного расположения блоков, каждый из которых может содержать до 2000 строк программного кода языка SEBOL (во многом похож на стандартные языки программирования – Basic, Pascal). В данном случае были использованы только два блока – инициализация и сама программа. На рис. 9 приведена блок-схема стандартного шага. При его выполнении происходит: установка органов управления в необходимое положение (закрытие- открытие клапанов, сброс и установка таймеров, уставок, выдача сообщений), далее, в течение определенного времени, происходит ожидание выполнения условий завершения шага (сигналы таймеров, достижение необходимого давления и т.п.). Если эти условия выполнены - происходит переход на следующий шаг, если нет – выдаются предаварийные или аварийные сообщения и производятся необходимые действия.
На мнемосхеме стадии очистки газа на производстве (рис.6) или в режиме виртуального теста можно показать все стадии процесса и управления им. При остановленной системе можно открывать-закрывать любые клапана для их проверки или очистки и т.д. и выбрать адсорбер, с которого начнется процесс очистки при обладании необходимыми правами. При нажатии на кнопку «Старт» все отсечные клапана переводятся в автоматический режим и становятся недоступными для оператора. Нажатие на «Стоп» (тоже с подтверждением) приведет к останову процесса и запоминанию номера адсорбера состояния таймеров и других параметров процесса. Если в течение останова не произведут выбор другого адсорбера, то процесс продолжится с того же места, (таймеры пойдут с той же точки) после нажатия на кнопку старта . Если же выберут другой – процесс начнется сначала. Можно вызвать панель таймеров, переключать кнопки «ручной – автомат» (необходимые для отключения ряда блокировок), то есть полностью контролировать технологический процесс.







Заключение

В результате внедрения описанной АСУТП производство метионина на ОАО «Волжский ЗОС» получено повышение выхода конечного продукта – метионина, организованы более удобное отображение и управление процессом, более надежно, быстро и точно работают системы диагностики неполадок и аварийных ситуаций, оптимальных выходов из них. Была введена современная система рапортов, архивирования данных, документирования высокой надежности.
Кроме того, АСУТП характеризуется:
- высокой степенью надежности системы управления;
- качественно лучшим интерфейсом операторов-технологов;
- усовершенствованной системой диагностики неполадок и аварийных сообщений;
- удобной системой документирования;
- расширенными возможностями анализа процесса и действий оператора.