ابزار دقیق نیروگاه های گازی، بخار و سیکل ترکیبی

[ferarri1365]

سلام به همگی

من دیدم جای بحثای نیروگاهی خالیه تو این تاپیک دیدم حیفه. دوستانی که سوال یا اطلاعاتی در زمینه ابزاردقیق نیروگاه دارند میتونن تشریف بیارن اینجا تا همه استفاده کنیم

 

[ferarri1365]

آشنایی با سیستم های کنترل فرایند:


1-1- سیستم های کنترل در مجتمع های بزرگ صنعتی
امروزه سیستم های کنترل رکن اصلی هدایت پروسه ها در مراکز بزرگ صنعتی محسوب می شوند. منظور از مجتمع های بزرگ مجموعه هایی چون:
• پالایشگاه های نفت وگاز
• مجتمع های پتروشیمی
• نیروگاه های آبی، بخاری و سیکل ترکیبی
• کارخانجات تولید فولاد، مس و مواد معدنی
• کارخانجات سیمان
سیستم های کنترل به کار رفته در این چنین صنایعی به لحاظ ساختار، طراحی و نحوه پیاده سازی با سیستم های کنترل مورد استفاده در صنایع کوچک و متوسط نظیر کارخانجات تولید مواد غدایی، اتوموبیل سازی، کاشی و سرامیک و امثالهم، تفاوت هایی دارد که در ادامه به تشریح ویژگی های این سیستم ها و تفاوت های اشاره شده پرداخته خواهد شد.
1-2- مدل های مختلف کنترل
آنچه امروز برای اتوماسیون یک واحد صنعتی استفاده می شود، حاصل تحقیقات و پیشرفتی است که در چند دهه گذشته صورت گرفته است. این توسعه در دو شاخه به شرح زیر انجام شده است:
1-2-1- مدل اتوماسیون کارخانه ای ( Factory Automation)
منظور از مدل اتوماسیون کارخانه ای یا به تعبیر بهتر Discrete Control کنترل مکانیسم هایی است که به صورت ON / OFF ، (خاموش / روشن) یا به عبارت دیگر با منطق 0 و 1 کار می کنند، می باشد. نمونه بازر آن خط تولید یک کارخانه اتوموبیل سازی است. در این مدل اتوماسیون اکثر سیگنال ها دیجیتال هستند.
PLC ها ، سیستم هایی هستند که به این منظور طراحی و از دهه هفتاد به بعد در صنایع به کار گرفته شدند.


1-2-2- مدل اتوماسیون فرایندی ( Process Automation)
منظور از مدل اتوماسیون فرایندی کنترل متغیرهای پروسسی که عمدتا در حلقه های بسته Closed-Loop)) قرار دارند، می باشد. این مدل اتوماسیون در صنایعی نظیر نفت و گاز، پتروشیمی، نیروگاههای برق ، سیمان و به طور کلی جایی که اکثر سیگنال ها آنالوگ هستند،به کار می رود.
PCS ها، سیستم هایی هستند که به این منظور طراحی و از اواسط دهه هفتاد به بعد در صنایع به کار گرفته شدند.
آنچه امروز سیستم کنترل غیر متمرکز(DCS) نامیده می شود، مدل بهبود یافتهPCS هاست.
1-3- کنترل فرایند (Process Control)
1-3-1- منظور از کنترل فرایند چیست؟
برای پاسخ به این سئوال ابتدا شرح تعریف زیر الزامیست
: Process منظور از پروسس سیستم یا مجموعه المان هایی است که از یک طرف مواد به آنها وارد و از طرف دیگر با تغییرات فیریکی / شیمیایی خارج می شود.
1-3-2-اجزای به کار رفته در یک سیستم کنترل فرایند ساده
در یک سیستم ساده کنترل فرایند المان های زیر استفاده می شوند:
• ابزار دقیق یا Field Instrument
• والوها و دریچه ها یا به طور کلی Actuator
• کنترلرهای منفرد یا Single Controller
• حلقه کنترلی بسته یا PID LOOP
1-3-2-1 ابزار دقیق : ( Field Instrument )
منظور از ابزار دقیق تجهیزاتی است که به منظور اندازه گیری مشخصات مواد موجود در پروسس نظیر دما ، فشار و فلو استفاده می شوند. این تجهیزات یک مقدار عددی که نشان دهنده وضعیت متغیر مورد بررسی است را مشخص می کنند.


1-3-2-2- والوها و دریچه ها : (Actuators )
والوها و دریچه ها ( Actuators ) المان های الکترومکانیکی هستند که برای تنظیم مقدارمواد عبوری در قسمت های مختلف پروسس استفاده می شوند.
مثال : انواع شیرهای کنترلی ( Control Valve ) و Damper ها که برای مقاصدی نظیر تنظیم مقدار سوخت ، تنظیم دبی هوای ورودی و بسیاری موارد دیگر به کار می روند.
1-3-2-3- کنترلر منفرد ( Single Controller )
سخت افزاری برنامه پذیر که با پردازش مقادیر کمیت های مختلف دما / فشار / سطح و فلو ، ( دریافتی ازField Instrument ها ) و لحاظ کردن شرایط داده شده توسط کاربر ، به والوها ودریچه ها( Actuators ) فرامین متناسب را ارسال می نماید و آنها را روی درجات مورد نیاز تنظیم می کند . یک کنترلر بسته به نوعش می تواند برای کنترل یک یا چند حلقه استفاده شود.
از کنترلرهای منفرد( Single Controllers ) معمولا در مواقع زیر استفاده می شود:
• سیستم کنترل ساده و کوچکی که ارزان هم باشد مد نظر است
• حلقه کنترلی بسته در سیستم وجود دارد
• سیستم کنترل مستقلی برای یک یا چند حلقه مورد نیاز است
• سیستم مانیتورینگ در مجموعه موجود نیست
1-3-2-4- حلقه کنترل : ( PID LOOP ) PID
حلقه های کنترلی بسته ( Closed –Loop ) توسط مدلی ریاضی به نام PID در کنترلرها پیاده سازی می شوند. در یک حلقه کنترل ، هدف رساندن یک کمیت Process Variable ) یا PV) به مقدار مطلوب SP )یا Set Point ) می باشد. این عمل با تغییر متغیر سوم MV ) یا ( Manipulate Variable که معمولا وضعیت والوها و دریچه ها است ، صورت می گیرد.
D ,I ,P سه پارامتر اصلی برای اجرای کنترل در این حلقه ها هستند که بسته به شرایط Process توسط کاربر تنظیم می شوند و مشخصات آنها به شرح زیر می باشد:
: (Proportional) P افزایش / کاهش P سرعت تغییرات را در خروجی حلقه افزایش / کاهش می دهد. P باعث تولید خطای ماندگار در حلقه کنترل می شود.
: (Integrator) I ضریب I باعث از بین بردن خطای ثابت سیستم و نرم کردن حرکت خروجی حلقه می گردد.
: (Derivative) D استفاده از ضریب D حساسیت سیستم را نسبت به تغییرات ورودی بالا می برد. در صورتی که ضریب D به درستی تنظیم نشود، باعث ایجاد نوسان و ناپایداری در حلقه کنترل می گردد.
با این تعاریف معنی کنترل فرایند ( Process Control ) به صورت دقیق و کامل روشن می شود: کنترل فرایند ( Process Control ) یعنی روشی برای کنترل والوها و دریچه ها ( Actuators ) در حلقه های بسته PID توسط Controller ها بر اساس مقادیر دریافتی از Field Instrument ها
1-3-3 ویژگی های Process Control System
سیستمی که برای کنترل فرایند ( Process Control ) استفاده می شود ، باید از مشخصات زیر برخوردار باشد :
: Performance • یعنی پروسه را از حالت دستی و عادی بهتر و سریعتر انجام دهد.
: Deterministic • رفتار آن قابل پیش بینی و محاسبه باشد. یعنی مثلا عملی که یکبار در مدت زمان T انجام شد ، در شرایط مشابه باز هم در همان مدت زمان T انجام شود.
: Fault Tolerant • در صورت بروز هر گونه اشکالی از کار نیفتد ونسبت به خطاهای خاصی تحمل داشته باشد. برای این منظور باید المان های آن دارای پشتیبان یا Backup باشند یا اصطلاحا سیستم Redundant باشد.
: Security • هر عملی تنها در صورت اخذ مجوزهای لازم قابل اجرا باشد. مثلا تغییر پارامترهای والوها و دریچه های مهم ، تنها توسط شخص خاصی که از اجازه های لازم برخوردار است ، قابل انجام باشد.
1-3-4- مشخصات صنایع فرایندی ( Process Plants ) واقعی
یک Process Plant جایی است که مجموعه ای از Process های مختلف برای تولید محصولات متنوع به کار گرفته شده است. بارزترین نمونه های آن پالایشگاه های نفت و گاز و مجتمع های پتروشیمی است . دقت داشته باشید که با این تعاریف یک مجتمع اتوموبیل سازی ، یک صنعت فرایندی محسوب نمی شود.
در یک Plant واقعی مشخصات مختلفی از محصولات تولیدی اندازه گیری می شود. کمیت هایی نظیر غلظت ، وزن حجمی ، دما ، فشار ، و ....... همینطور بسیاری از پارامتر های مربوط به دستگاهها نیز باید اندازه گیری و کنترل شوند. پارامتر هایی چون مصرف انرژی ، زمان ، کارکرد و ......
مثال : یک مجتمع تولید کاغذ را در نظر بگیرید. در این Plant با پیاده سازی تعدادی پروسه مختلف چوب به کاغذ تبدیل می شود. این Plant دارای ویژگی های زیر است :
− تنوع محصولات ( کاغذ روزنامه ، کاغذ معمولی ، انواع دستمال کاغذی ...... )
− علاوه بر کنترل جداگانه هر Process باید ارتباطی نیز بین Process های مختلف برقرار شود.
− هر Process ، دارای 10-100 Field Instrument و Actuator است.
− نزدیک به 1000 حلقه کنترلی ( PID LOOP ) وجود دارد.
با یک مقایسه ساده ، مطابق مثال قبلی می توان برای کنترل هر حلقه PID ، از یک کنترلر منفرد استفاده کرد.
اما آیا این کار عملی است ؟ آیا می توان نزدیک به هزار کنترلر منفرد را برای راهبری این کارخانه به کار گرفت؟

 

[ferarri1365]

آشنایی با سیستمهای کنترل غیر متمرکز ( Decentralized Control Systems )

آشنایی با سیستمهای کنترل غیر متمرکز ( Decentralized Control Systems )

آشنایی با سیستمهای کنترل غیر متمرکز ( Decentralized Control Systems )

2-1- تعریف سیستم کنترل غیر متمرکز(DECENTERLIZED CONTROL SYSTEM )
یک DCS مجموعه ای است از کنترلرهای با قابلیت پردازش بیش از یک حلقه ( Multi – Loop ) که این کنترلر ها با یکدیگر نیز مرتبط هستند و هر یک می توانند از طریق واحدهای ورودی / خروجی خود به Field – Instrument ها متصل شده و بین 10 تا 100 حلقه را کنترل نمایند. ارتباط بین این کنترلرها از طریق شبکه های صنعتی استاندارد صورت می گیرد. این تیپ سیستمهای کنترلی اصطلاحا " سیستمهای کنترل غیر متمرکز " یا ( Decentralized Control System ) نامیده می شوند ، گرچه امروزه عبارت ( Distributed Control System ) متداولتر است .
2-2- ساختار سیستم های DCS ( DCS Architecture )
سیستم های کنترل پروسس از بدو بکارگیری تاکنون دارای معماری های به شرح زیر بوده اند :
2-2-1- ساختار متمرکز (Centralized Architecture)
تا قبل از به کار گیری DCS ها در عرصه صنعت ، در سیستمهای کنترل بزرگ که در Plant های عظیمی نظیر پتروشیمی و پالایشگاه استفاده می شد، تمامی عملیات ریاضی و منطقی تنها در کامپیوتر مرکزی انجام می شد و کنترلرها فقط نقش واسطه برای ارسال اطلاعات دریافتی ازابزار دقیق ( Field Instrument ) به کامپیوتر مرکزی و بالعکس اجرای فرامین دریافتی از کامپیوتر مرکزی روی والوها و دریچه ها را بازی کردند و هیچ گونه تبادل اطلاعاتی با هم نداشتند.
عیب اصلی این سیستم تمرکز زیاد پردازش اطلاعات و عملیات ریاضی و منطقی در یک نقطه
( کامپیوتر مرکزی ) به شمار می رفت. یعنی در صورت بروز اشکال در کامپیوتر مرکزی ، کل سیستم کنترل از کار می افتاد.
2-2-2- ساختارغیر متمرکز (Decentralized Architecture)
سیستمهای کنترل غیر متمرکزDCS ( Decentralized Control System ) در واقع راهکاری برای رفع ضعف های سیستم های متمرکز محسوب می شدند . بدین شکل که پردازش اطلاعات بین کنترلرهای یکسان تقسیم می شد، در عین حال یک شبکه ارتباطی نیز بین کنترلر ها موجود بود و تبادل اطلاعات بین آنها به آسانی انجام می گرفت .
2-2-3- معماری متعارف یک سیستم DCS
بر اساس ساختار شماتیک فوق ، معماری متعارف یک سیستمDCS به صورت زیر است :

​

2-3- اجزای یک سیستم DCS
یک سیستم DCS متعارف را می توان با هرم زیر نشان داد:
پیکره یک سیستم DCS به طور کلی به سه بخش تقسیم می شود:
Field Level •
Control Level •
Monitoring Level •
​

​

2-3-1- در سطح کارخانه ( Field Level )
در پایین ترین سطح والوها، دریچه ها و تجهیزات ابزار دقیق قرار دارند که به دو روش به سطح بالاتر که کنترلر ها قرار دارند متصل می شوند:

2-3-1-1- روش کلاسیک : هر اینسترومنت والو و دریچه از طریق دو رشته سیم ( جریان یا ولتاژ ) به کارت ورودی / خروجی متصل می شود. با توجه به تعداد اینسترومنت ها والوها و دریچه ها ، حجم Wiring یا کابل کشی افزایش می یابد.
2-3-1-2- استفاده از فیلد باس : ( Field bus )
امروزه اکثر سیستمهای DCS حداقل از یک یا چند نوع تکنولوژی فیلد باس نظیر Foundation Field Bus ، DeviceNet و Profibus پشتیبانی می کنند و قابلیت اتصال به آن را دارا هستند . با استفاده از فیلد باس می توان تعداد زیادی Actuator / Instrument را با استفاده از تنها یک کابل رابط به کنترلرها متصل کرد و حجم کابل کشی را به شکل قابل توجهی کاهش داد.
2-3-2- سطح کنترل ( Control Level )
در سطح میانی یک سیستم DCS کنترلرها قرار دارند . هر کنترلر متصدی اداره یک قسمت از Plant است و معمولا به همین شکل نیز نامگذاری می شود. کنترلرها از طریق یک شبکه ارتباطی با یکدیگر و نیز با سطح بالاتر در ارتباط هستند، این شبکه معمولا دارای پشتیبان Redundant است. نوع و پروتکل شبکه در سیستمهای DCS مختلف ممکن است متفاوت باشد. ولی امروزه شبکه Ethernet معمولتر از سایر پروتکل هاست . به شبکه ارتباطی بین کنترلرها Plant Bus یا Process Bus اطلاق
می شود و معمولا از فیبر نوری به دلیل سرعت بالا و عدم نویز پذیری الکتریکی به عنوان رابط فیزیکی استفاده می شود
2-3-3- سطح مانیتورینگ ( Monitoring Level )
درسطح بالای یک سیستم DCS ایستگاه های کاری یا همان کامپیوتر هایی قرار دارند که از طریق آنها فرآیند های پروسسی توسط اپراتور ها کنترل می شوند . این کامپیوترها نیز از طریق یک شبکه که به آن Terminal Bus گفته می شود به سطح پایینتر متصل می شوند.
2-3-3-1- سیستم مهندسی ( Engineering Station)
ES یا سیستم مهندسی ( Engineering Station) کامپیوتری است که نرم افزار طراحی و مهندسی سیستم DCS روی آن نصب می شود و کلیه عملیات مهندسی سیستم شامل download کردن برنامه در کنترلر ها، تغییر در منطق برنامه و انجام اصلاحات و تغییرات درصفحات گرافیکی سیستم مانیتورینگ از طریق آن صورت می گیرد. معمولا ES در محل جداگانه ای نصب می شود. ES به هر دو باس سیستم اعم از Terminal Bus و Plant Bus متصل است.
بسته به وسعت و پراکندگی سیستم DCS ممکن است چندES درمجموعه وجود داشته باشد.
2-3-3-2- سیستم اپراتوری ( Operating Station)
OS یا سیستم اپراتوری (Operating Station) ایستگاه کاری اپراتورهاست. روی این کامپیوترها صفحات گرافیکی به شکل Runtime (که غیر قابل Edit است ) Load شده است. OS ها بسته به معماری سیستم به طور مستقیم یا از طریق Server به کنترلرها متصل هستند. اپراتورها می توانند مقادیر پروسسی را روی OS مشاهده نمایند و یا فرامین کنترلی را از طریق آنها به کنترلرها ارسال کنند.
2-4- مدل های مختلف ارتباطی در سیستم های DCS
با بررسی اجزای یک سیستم DCS حال این سئوال پیش می آید که ارتباط بین سطح میانی و سطح بالاتر به چه ترتیب برقرار می شود.
این اتصال در سیستمهای DCS مختلف ، متفاوت است و دارای مدل های زیر است :
Client / Server •
Stand-alone Station •
2-4-1- مدل Client – Server
در این روش یک کامپیوتر قوی به نام Server نقطه اتصال ، Plant Bus و Terminal Bus می باشد. در حقیقت Server دارای دو کارت شبکه مجزا بوده که به هر دو شبکه متصل است. Client ها اطلاعات مورد نیاز خود
را از طریق Server در یافت کرده و فرامین و Set Point های داده شده توسط اپراتور ازطریق OS ها ابتدا به Server و سپس به کنترلرها فرستاده می شود.
عیب این روش این است که در صورت از کار افتادن Server ، ارتباط اپراتورها با سیستم کنترل بکلی قطع می شود. برای جلوگیری از این اتفاق معمولا از دو Server یکسان که پشتیبان هم هستند استفاده می شود ( Server Redundancy ) تا در صورت بروز اشکال در یکی ، دیگری رهبری عملیات را به عهده بگیرد.
2-4-2- مدل منفرد ( Stand-alone Station )
در این حالت ، کامپیوتری به نام Server وجود ندارد و تمامی ایستگاهها با شبکه میانی در ارتباط هستند و هر یک به تنهایی عمل رد و بدل کردن داده با کنترلرها را انجام می دهند. مزیت این حالت این است که در صورت از کار افتادن یکی از ایستگاهها ، ارتباط با شبکه میانی قطع نمی شود. در واقع می توان گفت تمام Station ها به نوعی پشتیبان هم هستند.
برخی از وظایف Server نظیر Alarm Logging ، Tag Logging و Trending بین ایستگاهها تقسیم می شود. به عنوان مثال یکی از کامپیوتر عمل آرشیو کردن آلارم ها را به عهده خواهد داشت و دیگری ذخیره کردن مقادیر پروسسی را . نقل و انتقال اطلاعات لازم برای مشاهده هر یک از این موارد نظیر لیست آلارم ها یا منحنی های مقادیر پروسسی از طریق شبکه بالادستی انجام می گیرد. در این روش در مقایسه با مدل Client – Server کامپیوتر های قویتری مورد نیاز است .​

 

[mohamad_musavi69]

سلام مهندس.
ممنون که مطالب مفیدی قرار دادی. یه سوال برام پیش اومده. تو بعضی آگهی های استخدامی دیدم مهندس کنترل و ابزاردقیق که مسلط به طراحی نیروگاه باشه رو می خواستند.
برام جالبه بدونم طراحی نیروگاه ها به چه صورته؟ تا حالا کسی تو این زمینه تجربه ای داشته؟ میشه راهنمایی کنید؟ممنون

 

[mohamad_musavi69]

مهندسین کسی تو زمینه طراحی نیروگاه های نفتی و گازی و پتروشیمی فعالیتی نداشته؟ تجربه ندارید یا ....؟!!!!

 

[HAMED AHVAZI]

باسلام خدمت مهندسان و سروران گرامی
منظور از طراحی نیروگاه، طراحی سیستم های کنترلی برای فرایند های نیروگاهیست.کسی که توانایی چنین طراحی هایی را داشته باشد قطعا به انواع سیستم های کنترلی احاطه و تسلط کامل دارد. در تمامی صنایع اکثر فرایند های تولید بسیار پیچیده هستند اما طراحی های نیروگاهی باید بگونه ای باشد که تمامی تمهیدات لازم جهت عدم خروج از شبکه در فرایند تولید درنظر گرفته شود که این خود با توجه به اینکه نیروگاه ها تابع شبکه سراسری هستند و رفتار و عملکرد شبکه سراری تحت کنترل نمیباشد و رفتاری کاملا مستقل دارد ، پس طراحی سیستم کنترل نیروگاهی دارای پیچیدگی های خاصی میشود که به مراتب از پیچیدگی های طراحی سیستم کنترلی برای صنایع دیگر که تابع هیچ علت خارجی در فرایند تولید نیستند مشکل تر و حساس تر مباشد.این تنها دلیل رویکرد تمامی استخدام ها به توانایی طراحی در سیستم نیروگاهی میشود.