Применение компонентов Phoenix contact для управления процессами и системами во взрывоопасных и общепромышленных зонах. Решение задачи управления аналитической системой

Компания ООО «Технодизайн-М» специализируется на инженерных решениях, реализуемых на базе шкафов, шелтеров и контейнеров собственного производства, устанавливаемых на улице или в помещении, в общепромышленных и взрывоопасных зонах. Применение производимого оборудования весьма широкое, оно используется в составе аналитических систем и систем хроматографического анализа на газоперерабатывающих, нефтехимических и энергетических производствах на территории России и стран СНГ, в составе аналитических систем на очистных сооружениях, для подачи газов для лабораторных и технологических нужд, и для многих других задач, связанных с контролем и управлением состояния жидких и газообразных сред. Настоящая статья является второй статьей в цикле. В ней рассматриваются основные особенности решения задач управления аналитическими системами в промышленной и лабораторной аналитике, с акцентом использования в системах поточного анализа, используя опыт специалистов ООО «Технодизайн-М», с применением компонентов автоматизации производства компании Phoenix Contact.

Главная особенность рассматриваемой аналитической системы в том, что она размещается во взрывоопасной зоне. Управление процессами в аналитических системах общепромышленного исполнения, будет рассмотрено в следующих статьях. Назначение рассматриваемой системы – поточный анализ качественных и количественных характеристик продукта, выпускаемого химическим предприятием, либо какого-либо компонента, подготавливаемого для производства конечного продукта. Продукция на химических производствах выпускается в больших объемах, до нескольких сотен тонн продукта за смену. При помощи поточного анализа или хроматографии контролируется большое количество параметров технологического процесса. Отказ или остановка аналитической системы может привести к неконтролируемым отклонениям характеристик конечного продукта от заданных характеристик. Вероятность того, что производителю придётся отправить несколько десятков/сотен тонн продукта в повторную переработку или просто уничтожить, достаточно велика, поэтому требуется обеспечить непрерывное надёжное функционирование аналитической системы и системы управления в ее составе.

Круг задач по управлению аналитическими системами очень широк, но все они сводятся к следующим функциям управления:

• Контроль и регулирование давления анализируемой среды;
• Контроль и регулирование температуры измеряемой среды;
• Контроль и регулирование расхода измеряемой среды;
• Коммутация потоков анализируемой среды;
• Синхронизация процессов анализа и подготовки пробы.
• Управление побудителями расхода (насосное и компрессорное оборудование)

Аналитическая система представляет собой комплекс оборудования, который состоит из двух групп - комплекта анализатора и комплекта системы подготовки пробы. Система управления аналитической системой должна обеспечивать функции управления процессом подготовки пробы, выдачу аварийных сигналов и блокирующих управляющих воздействий к оборудованию комплекта анализатора и к оборудованию АСУТП предприятия.

Качество анализа напрямую зависит от следующих факторов:

• Стабильность температуры измеряемой среды;
• Стабильность давления измеряемой среды;
• Стабильность расхода измеряемой среды;
• Стабильность температуры окружающей среды;
• Стабильность влажности окружающей среды;
• Стабильность степени очистки измеряемой среды от механических включений, химических загрязнений, воды;
• Чистота вспомогательных газов, жидкостей и воздуха КИП;
• Стабильность давления вспомогательных газов, жидкостей и воздуха КИП;
• Стабильность температуры вспомогательных газов, жидкостей и воздуха КИП.

Многие анализаторы включают в свой состав вторичную систему подготовки пробы, управление которой осуществляет контроллер или встроенная микропроцессорная система анализатора, но, как правило, проба, полученная в точке отбора, не соответствует требованиям, предъявляемым к ее качеству на входе вторичной системы подготовки пробы, установленной на входе поточного анализатора. На рисунке 1 показана обобщённая структурная схема аналитической системы.


Рисунок 1. Обобщённая структурная схема аналитической системы

Рассмотрим работу аналитической системы, обобщенная структура которой представлена на рисунке 1, в максимально возможном функциональном составе.

В описываемой системе процесс анализа протекает следующим образом. Проба отбирается из технологического трубопровода при помощи пробоотборного устройства. Проба может быть жидкой, или газообразной. Примем, что проба газообразная. Допустим, что она имеет температуру +110 oC. Для большинства задач анализа является очень вредным, если в процессе транспортировки и подготовки пробы выделяется конденсат, и нерастворенная вода попадает в ячейку анализатора. Это вызывает искажение результатов анализа, и, в большом количестве случаев, выход из строя измерительной ячейки анализатора.

Обустройство точки отбора пробы бывает разным, от врезки в технологический трубопровод и установки обычного отсечного крана, до организации фланцевого присоединения и установки на него сложного автоматического пробоотборного зонда. Пробоотборное устройство, выполненное в полном объеме, выполняет следующие функции:

• Отбор пробы по команде, или по времени;
• Предварительную фильтрацию пробы;
• Предварительное регулирование давления пробы;
• Обогрев фильтра и отбираемой пробы;
• Продувку или промывку пробоотборного зонда.

При анализе пробоотборного устройства, как объекта управления, определены следующие функции, которые должна обеспечивать система управления:

• Подача команды на осуществление отбора пробы;
• Подача команды на продувку или промывку пробоотборного зонда;
• Контроль протока пробы;
• Контроль обогрева фильтра и пробы;
• Контроль состояния пробоотборного устройства.

Пробоотборное устройство находится в удалении от остального оборудования аналитической системы, там же размещена и часть системы управления, отвечающая за управление процессом отбора пробы. Разнообразие контроллеров и модулей ввода-вывода производства компании Phoenix Contact, достаточно большое, что позволяет реализовать структуру системы управления различными методами. При анализе устройства пробоотбора, как объекта управления, становится очевидным, что набор функций, которые необходимо реализовать, достаточно невелик. Казалось бы, можно ограничиться применением набора модулей удаленного ввода-вывода для его реализации, но при этом, при пропадании связи с центральным контроллером системы управления, велика вероятность того, что устройство пробоотбора работать не будет. Компания ООО «Технодизайн-М» на базе шкафов ТШВП-886 (пластиковый утепленный шкаф) и ТШВ-886(металлический утепленный шкаф) производит комплект оборудования для размещения пробоотборного устройства во взрывоопасной зоне. В зависимости от требований к транспортировке пробы в шкафу могут устанавливаться: нагреватель с термостатом, обогреваемый или необогреваемый понижающий редуктор, контроллер Phoenix Contact ILC131ETX в комплекте с модулями ввода-вывода, реле и источником питания, клапаны продувки, клапаны подачи пробы в линию. Температура внутри шкафа контролируется датчиком температуры, имеющим взрывобезопасное исполнение. Всё оборудование имеет разрешительные документы для установки в 1 и 2 зоне с категорией смеси IIC и температурным диапазоном T3. Шкафы навесного типа могут устанавливаться на специальную трубную стойку, на раму, на вертикальное подготовленное основание. Также, для установки пробоотборного устройства непосредственно на трубопровод, разработано исполнение с фланцевым присоединением снизу. Связь контроллера в пробоотборном шкафу с центральным контроллером системы управления может осуществляться по протоколам MODBUS-TCP, MODBUS-RTU, PROFIBUS.

Первичная система подготовки пробы размещается на монтажной панели и может устанавливаться в отдельном шкафу, в шелтере с остальным аналитическим оборудованием или в помещении анализаторной. Для всех этих вариантов размещения первичной системы подготовки пробы система управления должна обеспечивать контроль параметров температуры, давления и расхода измеряемой среды, а также контроль температуры обогреваемых линий. В случае размещения первичной системы подготовки пробы в отдельном шкафу или в шелтере с аналитическим оборудованием, система управления также должна обеспечивать контроль параметров микроклимата (управление вентиляцией и обогревом внутреннего пространства шкафа). При необходимости, нужно контролировать наличие во внутреннем объёме шкафа или шелтера концентрации взрывоопасных или ядовитых газов, превышающих ДВК или ПДК соответственно. При обнаружении превышения концентрации взрывоопасных или ядовитых газов срабатывает сигнализация внутри и снаружи шкафа, загорается информационное табло «НЕ ВХОДИТЬ!», запускается вентилятор. Для аналитической системы, размещённой в помещении анализаторной, климатконтроль и обнаружение газов решаются централизованно оборудованием предприятия, поэтому в системе управления этот функционал не учитывается.

Особенно важным, для стабильной и правильной работы аналитической системы, является контроль и управление работы теплоизолированных обогреваемых импульсных линий, входящих в состав системы. ООО «Технодизайн-М» производит теплоизолированные обогреваемые импульсные линии различного назначения и конфигурации, с возможностью установки в общепромышленных и взрывоопасных зонах, с элементами управления на базе оборудования Phoenix Contac и других производителей.

На рисунке 2 представлена структурная схема системы управления, реализованная для одного потока анализа, с учётом наличия полнофункционального устройства отбора пробы для непрерывного анализа продукта в одном потоке. В случае многопоточной системы, количество пробоотборных устройств и контроллеров, входящих в составе системы управления, может быть больше.


Рисунок 2. Cтруктурная схема системы управления аналитической системой

Как было изложено ранее, применение отдельных контроллеров для каждого структурного элемента аналитической системы, позволяет повысить ее надежность. Такой подход позволяет обеспечить автономную работу оборудования в границах одного шкафа при повреждении коммуникационных и сигнальных кабелей. Набор и тип сигналов для мониторинга состояния оборудования аналитической системы формируется согласно техническому заданию заказчика. Допускается использование сигналов вида «Сухой контакт», аналоговых сигналов 4-20мА, HART, или передача данных по протоколам MODBUS-TCP, MODBUS-RTU, PROFIBUS.

Для отображения состояния системы, используется сенсорная панель BTP3070 Phoenix Contac, установленная в EXD оболочке со стеклом. Управление панелью выполняется кнопками, установленными на корпусе EXD – оболочки контроллера, либо кнопками, установленными на двери шкафа.

Опыт показывает, что применение оборудования Phoenix Contact в составе инженерных решений, выполненных специалистами ООО «Технодизайн-М» при построении промышленных систем поточного анализа, размещаемых во взрывоопасных зонах, когда система управления имеет описанную выше распределенную структуру, обеспечивает высокую надежность и эффективность эксплуатации. Наилучшим образом оборудование Phoenix Contact показывает себя при применении в качестве комплексной системы управления как аналитическим оборудованием, так и оборудованием собственных нужд, установленным в блок-боксах, шкафах и шелтерах производства ООО «Технодизайн-М».

Авторы:
Щелков Петр Юрьевич. Главный инженер ООО «Технодизайн-М». +7(495) 640 09 11 pshelkov@nice-device.ru
Шишов Андрей Викторович. Генеральный директор ООО «Технодизайн-М». +7(495) 640 09 11 ashishov@nice-device.ru