Разработка автоматизированной системы управления реактором производства моторного масла

Все современные требования, предъявляемые к моторным маслам, не обеспечиваются природными свойствами нефтяных масел, требуется добавлять различные улучшающие их свойства присадки [1, 6].

В рамках разработки автоматизированной системы управления (АСУ) рассматривается производство моторных масел, предназначенных для смазывания деталей цилиндропоршневой группы дизелей высокой степени форсирования, работающих в сложных условиях высоких давлений и температур на тяжелом топливе.

Существующая промышленная технология приготовления моторного масла выглядит следующим образом: в реактор с механическим перемешивающим устройством подается нагретое базовое масло, которое состоит из остаточных масел и дистиллятных компонентов, и композиция присадок, обеспечивающих маслу высокие эксплуатационные качества – противо-износные, нейтрализующие, антикоррозионные, растворяющие и моющие. После загрузки расчетного количества базового масла в реакторе включается перемешивающее устройство, а в его рубашку насосом подается теплоноситель, поддерживающий температуру. Далее в реактор закачивается расчетное количество присадок согласно рецептуре. После загрузки всех соответствующих компонентов и достижения вязкости определенного значения смесь перемешивают в течение заданного времени до получения однородной массы. Продукт выгружается из реактора и откачивается в товарный резервуар.

Недостатком данной технологии является большая вероятность отгрузки из реактора неоднородной смеси с низким качеством, это приводит к несоответствию масла современным нормам. Для повышения качества продукта целесообразно внедрить автоматизированную систему регулирования реактора, которая будет поддерживать соответствие необходимой рецептуре (количественное содержание базового масла и присадок), а также регулировать параметры вязкости и температуры внутри реактора.

Материалы и методы

Для автоматизации технологического процесса, диспетчеризации, учета ресурсов используется SCADA-система TRACE MODE.

SCADA TRACE MODE – это высокотехнологичная российская программная система, первая интегрированная информационная система для управления промышленным производством [8].

В рамках разработки АСУ в TRACE MODE были реализованы:

• •    экран настройки технологических параметров,

• •    мнемосхема технологического процесса, • программа управления.

Процесс создания графического экрана АРМ оператора заключается в последовательном размещении графических элементов c настройкой соответствующих свойств и осуществлении привязок к создаваемым в процессе аргументам шаблона экрана.

На экране настройки технологических параметров вводятся согласно регламенту приготовления масла требуемые объемы базового масла и присадок (м3), а также уставки по регулируемым параметрам: температура в реакторе (°С), вязкость (мм2/с) и время приготовления (мин).

В соответствии с этим на экране мнемосхемы (рисунок 1) представлены сигналы с датчиков расхода масла и присадок, температуры в реакторе, вязкости; таймер оставшегося времени приготовления, скорость двигателя перемешивающего аппарата.

Данные экрана работают совместно с программой управления.

Программа управления представляет собой реализацию регулирования, состоит из четырех блоков (рисунок 2 –5) , реализована на языке FBD (Function Block Diagram).

Первый блок программы (рисунок 2) реализует процесс заполнения реактора базовым маслом и присадками, исполнительными устройствами в данном случае являются клапаны.

Рисунок 1. Мнемосхема процесса приготовления моторного масла

Figure 1. Mnemonic diagram of the engine oil preparation process

На вход блока «Умножение» подается сигнал запуска технологического процесса и значение объема базового масла, выходной сигнал – на вход блока «Вычитание» в качестве уменьшаемого, в качестве вычитаемого этого блока – выходной сигнал дискретного интегратора, входным параметром для которого является сигнал с датчика расхода базового масла.

Выходной сигнал дискретного интегратора – значение фактического объема базового масла в реакторе. Значение с блока «Вычитание» поступает на блок управления клапаном, куда также поступают сигналы с концевых выключателей открытия/закрытия клапанов подачи, сигнал позиции штока клапана, код, который предотвращает ошибку клапана. Выходным сигналом блока управления клапаном являются сигналы на открытие/закрытие клапана.

Аналогичным образом осуществляется процесс регулирования заполнения реактора присадками.

Второй блок программы (рисунок 3) – реализация сигнализаций, срабатывающих, если отклонение реального значения расхода присадок и базового масла от уставки больше 10%.

Рисунок 2. Первый блок программы управления

• Figure 2.    The first block of the control program

  

  Рисунок 3. Второй блок программы управления

  
  

• Figure 3.    The second block of the control program

На блок «Деление» в качестве делимого подается значение фактического объема базового масла, в качестве делителя – значение уставки по объему подачи базового масла в реактор. Частное подается в качестве уменьшаемого на блок «Вычитание», вычитаемое – 1, т. е. отношение значения фактического значения к значению, которое должно быть, сравнивается со 100%. Модуль результата поступает на блок сравнения с «0,1», результат сравнения сигнализирует о несоответствии базового масла уставке.

Сигнализация при отклонении значений присадок осуществляется аналогично.

Третий блок программы (рисунок 4) реализует регулирование температуры в реакторе двигателем насоса, стоящий на подаче теплоносителя в рубашку реактора. Управление осуществляется ПИД-регулятором. Управление двигателем осуществляется с помощью преобразователя частоты (ПЧ).

В качестве уменьшаемого на блок «Вычитание» поступает результат умножения сигналов запуска технологического процесса и значения сигнала с датчика температуры в реакторе; в качестве вычитаемого – результат умножения сигналов запуска технологического процесса и значения уставки по температуре. Разность подается на вход блока PID, также вводятся коэффициенты пропорциональный, дифференциальный и интегральный составляющих для двигателя насоса подачи; максимальные и минимальные обороты в минуту двигателя. На выходе ПИД-регулятора – управляющий сигнал скорости двигателя насоса, подающего теплоноситель.

Рисунок 4. Третий блок программы управления

• Figure 4.    The third block of the control program

Четвертый блок программы (рисунок 5) осуществляет включение двигателя смешивающего аппарата через ПЧ, а также реализует таймер, который отсчитывает время до окончания процесса приготовления масла, сравнивая уставки по вязкости и соответствующий сигнал с датчика.

Рисунок 5. Четвертый блок программы управления

• Figure 5.    The fourth block of the control program

На блок «Умножение» подается сигнал запуска технологического процесса и скорость перемешивающего механизма в оборотах в минуту. Выходным сигналом является значение уставки на преобразователь частоты.

Реализация таймера следующая: на блок «Умножение» подается значение уставки по вязкости и сигнал запуска технологического процесса. Результат сравнивается с сигналом датчика вязкости смеси, логически инвертируется и поступает на вход блока задержки выключения, куда также поступает результат умножения значения времени на приготовление смеси и сигнал запуска технологического процесса. Результат в качестве вычитаемого поступает на блок вычитания, в качестве уменьшаемого – время на приготовление смеси. Разность – таймер.

Назначения параметров программы, предназначенной для управления реактором производства моторного масла, представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Назначения всех параметров программы

Table 1.

Assign all program parameters

Параметр	Описание | Description
VE	Сигнал с датчика вязкости смеси The signal from the sensor viscosity of the mixture
TE_в_реакторе	Сигнал с датчика температуры в реакторе The signal from the temperature sensor in the reactor
Timer	Таймер | Timer
Температура_в_реакторе	Уставка по температуре | Temperature set point
Вязкость	Уставка по вязкости | Viscosity set point
Время_приготовления	Время на приготовление смеси | Time to prepare the mixture
Соотношение_базМ, Соотношение_прис 1, Соотношение_прис 2, Соотношение_прис 3	Сигнализации о несоответствии базового масла и присадок уставке Alarm about the mismatch base oil and additive setpoint
БазМ_объем, Прис1_объем, Прис2_объем, Прис3_объем	Уставка по объему подачи в реактор Setting the delivery volume of the reactor
БазМ_в_реаторе, Прис1_в_реакторе, Прис2_в_реакторе, Прис3_в_реакторе	Фактические объемы каждого подаваемого элемента Actual volumes of each feed item
Запуск	Сигнал запуска технологического процесса Process start signal
Скорость_двиг_Т	Скорость двигателя насоса, подающего теплоноситель Speed of the pump motor supplying the coolant
FE _базМ, FE_прис 1, FE_прис 2, FE_прис 3	Сигналы с датчиков расхода базового масла и присадок Signals from base oil and additive flow sensors
ICL_базМ, ICL_прис 1, ICL_прис 2, ICL_прис 3	Сигналы с концевых выключателей закрытия клапанов подачи Signals from closing limit switches of supply valves
IOP_базМ, IOP_прис 1, IOP_прис 2, IOP_прис 3	Сигналы с концевых выключателей открытия клапанов подачи Signals from limit switches for opening supply valves
POS_базМ, POS_прис 1, POS_прис 2, POS_прис 3	Позиции штоков клапанов | Valve stem positions
Open_баМ, Open_прис 1, Open_прис 2, Open_прис 3	Сигналы на открытие клапанов Signals for valve opening
Close_базМ, Close_прис 1, Close_прис 2, Close_прис 3	Сигналы на закрытие клапанов Valve closing signals
Кп_т, Ки_т, Кд_т	Параметры настройки ПИД-регулятора для двигателя насоса подачи Pid setting parameters for feed pump motor
Скорость_мешалки	Уставка на преобразователь частоты The setpoint for the frequency Converter

Результаты

В результате внедрения системы будет обеспечено выполнение следующих функций:

─ автоматический сбор и первичная обработка технологической информации;

─ управление технологическим процессом в реальном масштабе времени;

─ представление информации о состоянии технологического процесса и его параметрах в удобном для восприятия и анализа виде.

Система позволит:

─ повысить точность поддержания требуемых параметров (расход исходных компонентов, температура смеси и ее вязкость внутри реактора);

─ улучшить качество конечного продукта;

─ уменьшить энергозатраты;

─ снизить затраты на обслуживание и ремонт.

Дальнейшая реализация разработанной системы будет состоять во внедрении разработанного проекта в ПЛК.

Заключение

Техническим обоснованием оптимизации процесса, разработки модели объекта автоматизации, алгоритма управления технологическим процессом является требование к качеству моторных масел. Ввод синтезированной в данной