РЕФЕРАТ

Курсовой проект состоит из графической части объемом 2 листа формата A1 и пояснительной записки объемом 68 листов, содержащей 7 таблиц, 22 рисунка.

Ключевые слова: первичная переработка, ректификационная колонна, холодильник, датчик, моделирование, диаграммы.

Рассматриваемый объект – вакуумная установка по переработке мазута.

Цель работы: проектирование автоматизированной системы управления колонны в установки по переработке мазута.

Рассмотрена система переработки мазута. Определены основные технические характеристики объекта.

Смоделирован технологический процесс в программном пакете StarUML.

Определен состав аппаратной части проектируемой системы..

Выполнены технико-экономические расчеты.


Введение

Первичной переработкой (прямой перегонкой) называют процесс получения нефтяных фракций, различающихся по температуре кипения, без термического распада компонентов, составляющих дистиллят. В промышленности этот процесс осуществляется на трубчатых установках при атмосферном, повышенном давлениях или в вакууме.

Поступающее на нефтетехнологические установки нефтяное сырье значительно различается по физико-химическим константам: углеводородному составу, плотности, вязкости, содержанию раство

римых в нефтях минеральных солей, газа, серы, парафина, механи

ческих примесей и др. Кроме углерода и водорода, которые обыч

но составляют 95—97 вес. % (в том числе С —84—85 вес. %_г Н—12—14 вес. %), в нефти находится не менее 3—4 вес. % по

бочных элементов и соединений — кислорода, фосфора, серы, газа, воды и др.

Присутствие этих побочных элементов и соединений в нефти вызывает затруднения в процессе ее переработки.

Фракцион

ный состав нефтей играет важную роль при составлении и разра

ботке технологической схемы процесса, расчете ректификационной системы и отдельных аппаратов установки. Температуры выки

пания отдельных фракций зависят от физико-химических свойств нефти. Последние учитываются при разработке и выборе схем пер

вичной переработки, аппаратурном и материальном оформлении установки. Так, при переработке нефтей, содержащих серу, тре

буются дополнительные процессы гидроочистки для обессеривания нефтепродуктов, а для парафинистых нефтей — депарафинизационные установки по обеспарафиниванию фракций, особенно керосиногазойлевых. Для проектирования новых установок 

необходимо разработать соответствующий регламент и получить нужные рекомендации.

Процесс ректификации предназначен для разделения жидких неоднородных смесей на практически чистые компоненты или фрак

ции, к различаются по температуре кипения. Физическая сущность в процессе перегонки неф

ти, заключается в двухстороннем массо- и теплообмене между по

токами пара и жидкости при высокой турбулизации контакти

рующих фаз. В результате массообмена отделяющиеся от горячей жидкости пары обогащаются низкокипящими, а жидкость — высо

кокипящими компонентами. При определенном числе контактов между парами и жидкостью можно получить пары, состоящие в ос

новном из низкокипящих, и жидкость — из высококипящих компо

нентов. Ректификация, как и всякий диффузионный процесс, осу

ществляется в противотоке пара и жидкости. При ректификации паров жидкое орошение создается путем конденсации части паро

вого потока вверху колонны, а паровое орошение при ректифика

ции жидкости - путем испарения части ее внизу колонны.

Конструкция аппаратов, предназначенных для ректификации, зависит от способа организации процесса в целом и способа кон

такта фаз. Наиболее простая конструкция ректификационных аппаратов при движении жидкости от одной ступени контакта к дру

гой под действием силы тяжести.

На установках первичной перегонки нефти основным аппаратом процесса ректификации является ректификационная колонна - вер

тикальный аппарат цилиндрической формы. Внутри колонны рас

положены тарелки - одна над другой. На поверхности тарелок происходит контакт жидкой и паровой фаз. При этом наиболее легкие компоненты жидкого орошения испаряются и вместе с парами устремляются вверх, а наиболее тяжелые компоненты паровой фазы, конденсируясь, остаются в жидкости. В 

результате в ректификационной колонне непрерывно идут процессы конденсации и испарения.

При ступенчатом осуществлении процесса ректификации контакт пара и жидкости может происходить в противотоке, в перекрестном токе и в прямотоке. Если ректификация идет непрерывно bo всем объеме колонны, то контакт пара и жидкости при движении обеих фаз может происходить только в противотоке.

Получаемые компоненты светлых и масляных ди

стиллятов не соответствуют требуемому фракционному составу, наблюдается налегание фракций, часть наиболее тяжелых фрак

ций светлых нефтепродуктов — дизельного топлива — проваливает

ся в низ колонны, в мазут. Поэтому исследованию и анализу ра

боты ректификационных колонн, разработке и испытанию новых типов барботажных тарелок, совершенствованию методов их рас

чета уделяется большое внимание.

Современные ректификационные аппараты классифицируются в зависимости от их технологического назначения, давления, спосо

ба осуществления контакта между паром и жидкостью и внутрен

него устройства, обеспечивающего этот контакт. По технологиче

скому назначению на современных комбинированных установках АВТ (атмосферно вакуумная трубчатка) ректификационные аппараты делятся на колонны атмосфер

ной перегонки нефти, вакуумной перегонки мазута, стабилизации легких фракций, абсорбции жирных газов переработки нефти, вто

ричной перегонки широкой бензиновой фракции и др. По прово

димому процессу различают следующие ректификационные колон

ны: атмосферные, вакуумные, стабилизаторы и др. В зависимости от давления колонны делятся на вакуумные, атмосферные и рабо

тающие под давлением. В качестве контактного устройства в ко

лоннах применяют тарелки. Часто эти колонны именуются тарель

чатыми. По способу контакта между паром (газом) и жидкостью все ректификационные 

аппараты на установках первичной пере

гонки нефти характеризуются непрерывной подачей обеих фаз.

На конструкцию ректификационной колонны оказывают влияние технологические особенности: система подачи сырья, отвод боковых жидких погонов, подача орошений, пара и др.

Нагретое сырье (в основном в парожидкостном состоянии) поступает в среднюю часть колонны. Сверху отбирается парогазовая смесь - продукт, обогащенный низкокипящими компонентами и содержащий водя

ной пар. В средней части с соответствующих тарелок отбирают боковые флегмы.

Для ректификации многокомпонентных смесей на установках AT и АВТ применяется ректификационная колонна, состоящая фактически из нескольких отдельно работающих колонн (по числу отбираемых фракций). Сырьем для каждой последующей колонны может служить дистиллят или остаток предыдущей колонны. Такие колонны весьма сложны, так как кроме верхнего и нижнего продуктов (бензин и мазут) в них получают несколько боковых погонов: лигроин, керосин, дизельное топливо. Каждый боковой погон, отводимый из колонны, отправляется в свою отпарную колонну, где отпариваются легкие фракции, направляемые затем обратно в основную колонну.

Отпарные колонны конструктивно выполнены в одном корпусе, но отдельны друг от друга глухой перегородкой. В отпарных колоннах создается орошение водяным паром, который снижает парциальное давление нефтяных паров и способствует их испарению.

Недостаток сложной колонны – наличие при одном верхнем орошении различных паровых и жидкостных нагрузок в разных сечениях. В связи с этим в каждой секции весьма целесообразно создание самостоятельного циркулирующего орошения. Атмосферные и 

вакуумные колонны с промежуточным циркуляционным орошением широко применяются.

На современном этапе нефтепереработки трубчатые установки входят в состав всех нефтеперерабатывающих заводов и служат поставщиками как товарных нефтепродуктов, так и сырья для вторичных процессов (каталитического крекинга, риформинга, гидрокрекинга, коксования, изомеризации ).

С повышением мощности установок по первичной переработке нефти стали объединять этот процесс с другими, прежде всего с обезвоживанием и обессоливанием, стабилизацией и вторичной перегонкой бензина ( с целью получения узких фракций ), с каталитическим крекингом, коксованием.

В зависимости от давления в ректификационных колоннах трубчатые установки разделяются на атмосферные (AT), вакуумные (ВТ) и атмосферно-вакуумные (АВТ).

Вакуумные трубчатые установки обычно сооружают в едином комплексе с атмосферной ступенью перегонки нефти. Комбинирование процессов атмосферной и вакуумной перегонки на одной установке имеет следующие преимущества: сокращение коммуникационных линий, меньшее число промежуточных емкостей, компактность, удобство обслуживания, возможность более полного использования тепла дистиллятов и остатков, сокращение расхода металла и эксплуатационных затрат, большая производительность труда.

В промышленных установках нефть перед переработкой очищают от примесей воды и солей, которые обычно растворены в воде. Для этой цели, как правило, применяют электрообезвоживающие установки - ЭЛОУ.

УСТАНОВККА ВАКУУМНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ МАЗУТА ЭЛОУ АВТ-6

1.1 Описание объекта автоматизации б
лока вакуумной перегонки мазута установки ЭЛОУ – АВТ – 6

Основное назначение установки (блока) вакуумной перегонки мазута топливного профиля - получение вакуумного газойля широкого фракционного состава (350 - 500 °С), используемого как сырье установок каталитического крекинга, гидрокрекинга или пиролиза и в некоторых случаях - термического крекинга с получением дистиллятного крекинг - остатка, направляемого далее на коксование с целью получения высококачественных нефтяных коксов.

О четкости разделения мазута обычно судят по фракционному составу и цвету вакуумного газойля. Последний показатель косвенно характеризует содержание смолисто-асфальтеновых веществ, то есть коксуемость и содержание металлов. Металлы, особенно никель и ванадий, оказывают отрицательное влияние на активность, селективность и срок службы катализаторов процессов гидрооблагораживания и каталитической переработки газойлей. Поэтому при эксплуатации промышленных установок ВТ исключительно важно уменьшить унос жидкости (гудрона) в концентрационную секцию вакуумной колонны в виде брызг, пены, тумана и т.д. В этой связи вакуумные колонны по топливному варианту имеют при небольшом числе тарелок (или невысоком слое насадки) развитую питательную секцию: отбойники из сеток и промывные тарелки, где организуется рециркуляция затемненного продукта. Для предотвращения попадания металлоорганических соединений в вакуумный газойль иногда 

вводят в сырье в небольших количествах антипенную присадку типа силоксан.

В процессах вакуумной перегонки, помимо проблемы уноса жидкости усиленное внимание уделяется обеспечению благоприятных условий для максимального отбора целевого продукта без заметного его разложения. Многолетним опытом эксплуатации промышленных установок ВТ установлено, что нагрев мазута в печи выше 420-425°С вызывает интенсивное образование газов разложения, закоксовывание и прогар труб печи, осмоление вакуумного газойля. При этом, чем тяжелее нефть, тем более интенсивно идет газообразование и термодеструкция высокомолекулярных соединений сырья. Вследствие этого при нагреве мазута до максимально допустимой температуры уменьшают время его пребывания в печи, устраивая многопоточные змеевики (до четырех), применяют печи двустороннего облучения, в змеевик печи подают водяной пар и уменьшают длину трансферного трубопровода (между печью и вакуумной колонной). Для снижения температуры низа колонны организуют рецикл (квенчинг) частично охлажденного гудрона. С целью снижения давления на участке испарения печи концевые змеевики выполняют из труб большего диаметра и уменьшают перепад высоты между вводом мазута в колонну и выходом его из печи. В вакуумной колонне применяют ограниченное количество тарелок с низким гидравлическим сопротивлением или насадку; используют вакуумсоздающие системы, обеспечивающие достаточно глубокий вакуум. Количество тарелок в отгонной секции также должно быть ограничено, чтобы обеспечить малое время пребывания нагретого гудрона. С этой целью одновременно уменьшают диаметр куба колонн.

В процессах вакуумной перегонки мазута по топливному варианту преимущественно используют схему однократного испарения, применяя 

одну сложную ректификационную колонну с выводом дистиллятных фракций через отпарные колонны или без них. При использовании отпарных колонн по высоте основной вакуумной колонны организуют несколько циркуляционных орошений.

Мазут, отбираемый с низа атмосферной колонны блока AT прокачивается параллельными потоками через печь в вакуумную колонну 1. Смесь нефтяных и водяных паров, газы разложения (и воздух, засасываемый через неплотности) с верха вакуумной колонны поступают в вакуумсоздающую систему. После кон и охлаждения в конденсаторе-холодильнике она разделяется в газосепараторе на газовую и жидкую фазы. Газы отсасываются трехступенчатым пароэжекторным вакуумным насосом, а конденсаты поступают в отстойник для отделения нефтепродукта от водного конденсата. Верхним боковым погоном вакуумной колонны отбирают фракцию легкого вакуумного газойля (соляр). Часть его после охлаждения в теплообменниках воз­вращается наверх колонны в качестве верхнего циркуляционного орошения.

Вторым боковым погоном отбирают широкую газойлевую (масляную) фракцию. Часть ее после охлаждения используется как среднее циркуляционное орошение вакуумной колонны. Балансовое количество целевого продукта вакуумного газойля после теплообменников и холодильников выводится с установки и направляется на дальнейшую переработку.

С нижней тарелки концентрационной части колонны выводиться затемненная фракция, часть которой используется как нижнее циркуляционное орошение, часть - может выводиться с установки или использоваться как рецикл вместе с загрузкой вакуумной печи.



С низа вакуумной колонны отбирается гудрон и после охлаждения в возвращается в низ колонны. В низ вакуумной колонны подается водяной пар.

Материальный баланс блока вакуумной перегонки

Поступило, % на нефть

Мазут -52

Получено. % на нефть

Легкий вакуумный газойль -1,2

Вакуумный газойль - 22,0

Гудрон - 28,8

Технологический режим в вакуумной колонне:

Температура,°С

питания - 395

верха - 125

низа - 352

вывода:

легкого вакуумного газойля -195

широкого вакуумного газойля - 260

затемненной фракции - 300

Давление наверху (абс), кПа - 8,0



Характеристика вакуумной колонны

Диаметр, м Число тарелок

Верхняя часть 6,4 4

Средняя часть 9,0 10

Нижняя часть 4,5 4


Принцип работы установки.

1,2 – датчик расхода; 3,4 – датчик уровня; 5,6 – датчик давления; 7-10 – датчик температуры; 11 – вакуумная колонна; 12 – эжектор; 13 – холодильник; 14 – электрическая задвижка.

Рисунок 1 – Технологическая установка



Мазут для установки, поступает с установки атмосферной перегонки. Шестью потоками он прокачивается через печь и с температурой 380-400^оС направляется в эвапарационное пространство колонны К-10.

В целях уменьшения разложения мазута в змеевик печи П-3 предусмотрена подача перегретого водяного пара. В зависимости от режима колонны К-10 непосредственно в колонну также имеется возможность подачи перегретого пара через клапан регулятора расхода

В верху колонны поддерживается остаточное давление 25-40 мм. рт. ст.

Парогазовая смесь с верха колонны К-10 по шламовым трубопроводам поступает в межтрубное пространство предварительного поверхностного конденсатора расположенного параллельно по рабочему потоку. В трубное пространство холодильника подается охлаждающая вода.

Давление на верху колонны К-10 контролируется, регулируется и регистрируется на мониторе компьютера. В вакуумсоздающие устройство, эжектор, подаётся рабочая жидкость – атмосферное дизельное топливо.

Колонна К-10 состоит из 17 секций насадки фирмы «ПЕТОН».

Из сборника ВЦО с 15-ой секции насадки К-10 выводится верхнее циркуляционное орошение и подается через холодильник.

Избыток вакуумного дизельного топлива через клапан выводится с установки.

Из сборника, установленного в средней части колонны, предусмотрен отбор масляных фракций.

1.3 Технологическое оборудование

В технологическую схему данного проекта входит четыре основных аппарата: вакуумная колонна, трубчатая печь, эжектор и холодильник.

Ректификационная колонна — аппарат, предназначенный для разделения жидких смесей, составляющие которых имеют различную 

температуру кипения. Классическая колонна представляет собой вертикальный цилиндр с контактными устройствами внутри.

В ректификационную колонну подаются пары перегоняемой жидкости. Они поднимаются снизу, а в режиме противотока навстречу парам идёт жидкость, сконденсировавшаяся наверху в холодильнике. В случае если разгоняемый продукт состоит из двух компонентов, конечными продуктами являются дистиллят, выходящий из верхней части колонны и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны). У колонны есть несколько узлов, к ним относятся: узел ввода сырья в колонну, каплеуловители, узлы ввода и распределения орошения, узлы вывода жидких боковых потоков из колонны и низ колонны.

Узел ввода сырья предназначен для безударного ввода парожидкостного потока в колонну, отделения паровой фазы от жидкой. Важное значение имеет узел ввода сырья в вакуумные колонны АВТ так как скорость парожидкостного потока на выходе из патрубка доходит до 100м/с.

Каплеуловитель предназначен для улавливания из паров механически унесённых мелких капель жидкости – в зоне ввода сырья и на выходе паров – с верха колонны. Над верхней тарелкой колонн каплеуловители устанавливают там, где предьявляется повышенное требование к чистоте верхнего продукта.

Узел ввода жидких потоков в колонны АВТ предназначены для подачи холодного орошения.

Узел вывода жидкости, в нём, частично задействован сливной карман из которого жидкость через обычный патрубок выводится наружу. В зависимости от конструктивных особенностей, могут использоваться выводные трубы.

Низ отгонной части колонны выполняет две функции – эвапорационного пространства для горячей струи и аккумулятора жидкости 

для стабильной работы откачивающего остаток насоса. Над патрубком для вывода остатка устанавливается предохранительная решётка, чтобы избежать попадания в насос кусочков кокса или случайно упавших в низ колонны предметов (болтов, клапанов с тарелок, окалины). Колебание уровня и возможное вспенивание жидкости при подаче водяного пара могло бы привести к сбросу насоса и нарушить работу колонны, но, колонна разделена на две самостоятельные камеры гидрозатвором. Водяной пар подаётся во внутреннюю верхнюю камеру, в которой гидрозатвором поддерживается стабильный уровень жидкости, а откачка остатка ведётся из внешней нижней камеры, где колебание уровня не влияет на работу тарелок; из внутренней камеры предусмотрен дренаж жидкости при опорожнении колонны.

Трубчатые печи являются основными нагревателями большинства технологических установок НПЗ. Нагрев сырья в трубчатых печах осуществляется на установках АВТ без заметного его термического разложения. Это обеспечивается малым временем пребывания нагреваемого потока в зоне повышенных температур. В данной установке, использование данного элемента имеет один минус – закоксовывание змеевиков, с необходимостью их периодической чистки. Происходит это из-за того, что в них нагревается тяжёлое сырьё – остатки атмосферной перегонки. Современные трубчатые печи имеют две камеры – камеру сгорания, где сжигается топливо, и камеру конвекции, в которой обогрев осуществляется дымовыми газами, выходящими из камеры сгорания. Основными характеристиками трубчатых печей являются производительность, полезная тепловая нагрузка, коэффициент полезного действия.



Рисунок 2 – Внешний вид вертикальной цилиндрической печи с настильным сжиганием топлива.

Конденсаторы – холодильники воздушного охлаждения практически повсеместно заменили используемые ранее конденсаторы и холодильники, которые имеют существенные недостатки – требуют значительного количества воды, а так же очистки труб от накипи. В аппаратах воздушного охлаждения поток воздуха нагнетается вентилятором и направляется перпендикулярно пучкам труб, по которым проходит охлаждённый нефтепродукт. Несмотря на низкий коэффициент теплопередачи, за счёт оребрения труб алюминиевыми пластинами достигается хороший теплосъём.

I – теплоноситель, II – нагреваемый поток



Рисунок 3 – теплообменный аппарат «труба в трубе» жёсткого типа.

Эжектор (вакуумный инжектор (струйный насос) – устройство, в котором для всасывания газа или жидкости используется кинетическаэнергия другого газа или жидкости.

Рисунок 4 – внешний вид эжектора.

Недостатки установки

Недостатками установки является отсутствие регулирования температурного режима верха и низа колонны, что приводит к загрязнению светлых фракций тёмными.

Так же, некачественное контролирование подачи перегретого пара, может привести к снижению КПД тарелок, увеличению выноса углеводородной фракции с верха колонны.

Неточное регулирование давления верха колонны, приводит к увеличению расхода подогретого пара, и загрязнению окружающей среды в целом.

Требования к АСУТП



Исходя из вышеперечисленных недостатков, цель моего курсового проекта состоит в том, чтобы разработать АСУ вакуумного блока с применением микропроцессорной техники на базе

Задачи АСУТП

Исходя из недостатков системы, перед нами стоит задача, автоматизировать установку, приняв во внимание необходимость точного контроля температурного режима верха и низа колонны. Осуществить это можно путём регулирования подачи верхнего циркуляционного орошения в верхней части колонны и путём более точного регулирования подачи перегретого пара в нижнюю отпарную секцию колонны.

Так же благодаря дополнительной установки датчика давления в верхней части колонны, нам удаётся более точно регулировать давление, снизить вынос углеводородной фракции с верха колонны.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АСУТП

2.1 Требование к системе

Прежде чем начать проектирование системы управления, нужно определить функции, которые будет выполнять проектируемая система.

Будем полагать, что управление Вакуумной установкой осуществляется неким контроллером в соответствии с параметрами, вводимыми оператором. Контроллер опрашивает датчики и, сравнивая введенные параметры с действительными, осуществляет управление исполнительными устройствами, регулируя тот или иной параметр технологического процесса. Кроме того, контроллер должен выдавать информацию о текущем состоянии процесса оператору.

Отобразим всё вышесказанное на диаграмме сценариев Use Case. На этой диаграмме видно, что режим работы задаётся оператором действием 

Создать план. После запуска оператором процесса, контроллер получая данные от датчиков, управляет устройствами.

2.2 Объёмно-ориентированное моделирование в среде UML

Диаграмма вариантов использования (Use Case)

В данном разделе проведено моделирование на основе метода объектно-ориентированного анализа (т. е. производится анализ работоспособности системы автоматики на объекте автоматизации). Данный метод широко используется в современных программах использующих унифицированный язык моделирования (UML) который принят за основной язык моделирования. Весь процесс моделирования происходил в пакете моделирования StarUML. Программный пакет StarUML позволяет создавать сложные программные системы от за

мысла до создания исходного кода. Он дает возмож

ность получать исходный код взаимодействующих классов и строить визуаль

ные модели по уже написанному исходному коду. Возможность интеграции со средствами управления требованиями, тестирования, конфигурационного управления делает намного проще и короче работу от создания модели системы до ее внедрения на объекте автоматизации. Пакет позволяет строить диаграммы для моделирования, которые позволяют отследить (смоделировать) все возможные события, состояния, положения, действия системы на различные действия как внутри системы, так и при внешнем воздействии.

Стандарт UML версии 1.1, принятый OMG в 1997 г., предлагает следующий набор диаграмм для моделирования:

- диаграммы вариантов использования (use case diagrams) – для моделирования бизнес-процессов организации и требований к создаваемой системе);



- диаграммы классов (class diagrams) – для моделирования статической структуры классов системы и связей между ними;

- диаграммы поведения системы (behavior diagrams);

- диаграммы взаимодействия (interaction diagrams);

- диаграммы последовательности (sequence diagrams);

- кооперативные диаграммы (collaboration diagrams);

- для моделирования процесса обмена сообщениями между объектами;

- диаграммы состояний (statechart diagrams) – для моделирования поведения объектов системы при переходе из одного состояния в другое;

- диаграммы деятельностей (activity diagrams) – для моделирования поведения системы в рамках различных вариантов использования, или моделирования деятельностей;

- диаграммы реализации (implementation diagrams);

- диаграммы компонентов (component diagrams) – для моделирования иерархии компонентов (подсистем) системы;

- диаграммы размещения (deployment diagrams) – для моделирования физической архитектуры системыДанная диаграмма является на сегодняшний день основным элементом разработки и планирования проекта. Вариант использования представляет собой последовательность действий (транзакций), выполняемых системой в ответ на событие, инициируемое некоторым внешним объектом (действующим лицом). Вариант использования описывает типичное взаимодействие между пользователем и системой. В простейшем случае вариант использования определяется в процессе обсуждения с пользователем тех функций, которые он хотел бы реализовать. В диаграмме используется два основных элемента: 

actor(действующее лицо) и use case(вариант использования) и линии соединения(Unidirectional Association).

Действующее лицо (actor) – это роль, которую пользователь играет по отношению к системе. Действующие лица представляют собой роли, а не конкретных людей или наименования работ. Несмотря на то, что на диаграммах вариантов использования они изображаются в виде стилизованных человеческих фигурок, действующее лицо может также быть внешней системой, которой необходима некоторая информация от данной системы. Показывать на диаграмме действующих лиц следует только в том случае, когда им действительно необходимы некоторые варианты использования.

Варианты использования – это функции, выполняемые системой, которые выполняются при заинтересованности действующих лиц. Варианты использования начинают описывать, что должна будет делать система.

В моделируемой системе управления контуром системы выделено 3 группы действующих лиц (actor). Первая группа это серия датчиков установленных на объекте, осуществляет считывание показателей системы, при запросе или при непрерывной связи с регулирующим прибором передает показания. Всего в системе 5 считывающих устройств (датчиков). Вторая группа это исполнительные устройства, на которые подается сигнал управления. Устройствами являются насосы, регулирующие клапана с электроприводом, дублирующие устройства, осуществляющие резервную линию. Третья группа это независимые устройства, осуществляющие четко определенные функции по управлению системой, передачей информации.

Основным действующим лицом системы управления является регулирующий прибор (контроллер).

Прибор поочередно опрашивает датчики температуры, давления, уровня, и формирует в соответствии с реализуемой программой усредненные 

нормы. Сформированные требования (нормы) подаются в виде управляющего сигнала на исполнительные устройства, которые осуществляют регулирование работы системы. Действующее лицо оператор непосредственно с места не может осуществлять регулирование, его задача четко фиксировать все события, вести журнал состояний системы. При различных отклонениях в работе системы оператор своевременно сообщает на пульт диспетчерам о нарушениях в работе. Связь между датчиками и регулирующим прибором является связью включения (include). С помощью таких связей моделируют многократно используемую функциональность. Связь между оператором и системой осуществляются соединением расширения, определяющим описание изменений в нормальном поведении системы, так и при простой передачи данных о работе.

На диаграмме вариантов использования показано взаимодействие между вариантами использования и действующими лицами. Она отражает требования к системе с точки зрения пользователя. Таким образом, варианты использования – это функции, выполняемые системой, а действующие лица – это заинтересованные лица (stakeholders) по отношению к создаваемой системе. Такие диаграммы показывают, какие действующие лица инициируют варианты использования. Из них также видно, когда действующее лицо получает информацию от варианта использования. В сущности, диаграмма вариантов использования иллюстрирует требования к системе. Конечный вид диаграммы вариантов использования для контура системы управления представлен на рисунке 5



Рисунок 5 - Диаграмма вариантов использования

Диаграмма размещения (deployment diagram)

Диаграмма размещения (deployment diagram) отражает физические взаимосвязи между программными и аппаратными компонентами системы. Она является хорошим средством для того, чтобы показать маршруты перемещения объектов и компонентов в распределенной системе. Каждый узел на диаграмме размещения представляет собой некоторый тип вычислительного устройства – в большинстве случаев, часть аппаратуры. Эта аппаратура может быть простым устройством или датчиком, а может быть и мэйнфреймом.

Диаграмма размещения (рисунок 6) показывает физическое расположение сети и местонахождение в ней различных компонентов.



Рисунок 6 - Диаграмма размещения

Из данной диаграммы можно узнать о физическом размещении системы. Датчики будут связаны с контроллером каналами связи, по которым передаются данные необходимые при составлении норм. Контроллер, получая данные, формирует нормы и по каналам передает сигналы на исполнительные устройства. Выполнение процессов подчинено типу cyclic (Всем процессам выделяется равное количество процессорного времени). Также по каналу связи RS-485, LAN осуществляется непрерывная связь с оператором. На пульт оператора поступает вся информация о текущем состоянии системы. На диаграмме также отражена возможная модернизация системы в плане объединения всех объектов управления под контроль одной специализированной SCADA-системы.

Диаграмма состояний



Диаграмма состояний определяет все возможные состояния, в которых может находиться конкретный объект, а также процесс смены состояний объекта в результате наступления некоторых событий.

Существует много форм диаграмм состояний, незначительно отличающихся друг от друга семантикой. Наиболее распространенная форма, используемая в объектно-ориентированных методах, впервые применялась в методе ОМТ и впоследствии была адаптирована Гради Бучем.

На диаграмме имеются два специальных состояния – начальное (start) и конечное (stop). Начальное состояние выделено черной точкой, оно соответствует состоянию объекта, когда он только что был создан.

Конечное состояние обозначается черной точкой в белом кружке, оно соответствует состоянию объекта непосредственно перед его уничтожением. На диаграмме состояний может быть одно и только одно начальное состояние. В то же время, может быть столько конечных состояний, сколько нужно, или их может не быть вообще. Когда объект находится в каком-то конкретном состоянии, могут выполняться различные процессы. Процессы, происходящие, когда объект находится в определенном состоянии, называются действиями (actions).

В проектируемой системе можно четко проследить все состояния, в которые попадает система. Старт системы осуществляется пробным пуском определенного давления с целью проверки работоспособности системы. Данное состояние обозначено Test Starting. После подачи носителя в трубы система переходит в следующее состояние System sensor questioning. В этом состоянии система начинает снимать данные со счетчиков расположенных в системе (датчиков давления, температуры, уровня, расхода) и формирует уточненные нормы(exact norm). Эти нормы являются окончательными для поддержания рабочего графика, и система переходит в следующее состояние. Состояние Work executive devices определяет механизмы действий на исполнительные устройства при различных изменениях в системе. Это поддержание требуемого давления, требуемой температуры, регулирование 

расходом теплоносителя, а также переход на резервное оборудование. Механизм действия прописывается таким образом: при низкой температуре в системе (аргумент этого события требуемая температура меньше норм температуры, на исполнительное устройство регулирования – комплекс горелок печи подается сигнал управления с условием увеличить подачу тепла через горелки на рассчитанную величину. Когда условие будет выполнено и T_дейст=T_норм система установит данный режим нормой. Регулирование давления осуществляется на основе показаний датчиков давления в трубопроводе и регулятора перепада давления. Регулирование уровнем осуществляется управляемым клапаном подачи.

Диаграмма состояний представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Диаграмма состояний

Диаграмма деятельности



Эти диаграммы полезны в описании поведения, включающего большое количество параллельных процессов. Подобно большинству других средств, моделирующих поведение, диаграммы деятельностей обладают определенными достоинствами и недостатками, поэтому их лучше всего использовать в сочетании с другими средствами.

Самым большим достоинством диаграмм деятельностей является поддержка параллелизма. Благодаря этому они являются мощным средством моделирования потоков работ и, по существу, параллельного программирования. Самый большой их недостаток заключается в том, что связи между действиями и объектами просматриваются не слишком четко.

Диаграмма деятельности используется в двух ситуациях: как анализ вариантов использования или анализ потоков работ. В первом случае не требуется связь между действиями и объектами, а требуется только понять, какие действия должны иметь место и каковы зависимости в поведении системы. Связывание объектов и методов выполняется с помощью диаграммы взаимодействия. Второй случай используется при наличии нескольких вариантов использования. Когда варианты использования взаимодействуют друг с другом, диаграммы деятельностей являются мощным средством представления и анализа их поведения.

В проектируемой системе диаграмма используется для анализа варианта использования. На диаграмме (рисунок 8) отражена зависимость порядка действий системы, их очередность. В системе процесс функционирования зависит от выполнения 2 параллельных условий, без выполнения которых невозможно продолжение работы системы. Это снятие данных о текущих нормах (present norm). Эти данные используются для расчета графика системы управления установкой. Второе это сигнал с таймера определяющий режим работы (day/night). По этому сигналу выбирается режим «дневного использования» или «ночного использования». После выполнения условий определяется, будет, продолжаться работа 

системы или нет. При отрицательном результате (получен один или не одного сигнала) система отключается и подает сигнал неисправности. При положительном результате система начинает работу (подача тепла, опрос датчиков, работа исполнительных устройств). При изменении показателей все отклонения передаются в начало действия системы, анализируются и на основе этих данных формируется новые нормы работы системы.


Рисунок 8 - Диаграмма деятельности

Диаграмма последовательности

Диаграммы последовательности отражают поток событий, происходящих в рамках варианта использования. На диаграмме 

последовательности (рисунок 9) объект изображается в виде прямоугольника, от которого вниз проведена пунктирная вертикальная линия. Эта линия называется линией жизни (lifeline) объекта. Она представляет собой фрагмент жизненного цикла объекта в процессе взаимодействия. Каждое сообщение представляется в виде стрелки между линиями жизни двух объектов. Каждое сообщение помечается как минимум именем сообщения; при желании можно добавить также аргументы и некоторую управляющую информацию, и, кроме того, можно показать само-делегирование (self-delegation) – сообщение, которое объект посылает самому себе, при этом стрелка сообщения указывает на ту же самую линию жизни.

В процессе работы системы происходит обмен сообщениями между объектами в определенной последовательности во времени. Объекты, являющиеся клиентами, по

сылают сообщения, а объекты, являющиеся серверами, обрабатывают их.

Для моделируемой модели этот поток событий выглядит следующим образом. Основным сервером является блок Regulation Device:Controller. Сервер в первом шаге делает запрос о времени к клиенту Timer, что является первоочередной задачей для продолжения работы системы. Сообщение обладает свойством timeout, определяющим условие: клиент отказывается от выдачи сообщения, если сервер в течение определенного времени не может его принять. После принятия данных сервер опрашивает клиентов относящихся к типу датчиков. После сбора информации сервер обрабатывает данные(data processing) и формирует нормы. После этого сервер начинает посылать запросы к типу клиентов исполнительные устройства, определяя в запросе их действия. Очередность в этих действиях отсутствует, так регулирование осуществляется в зависимости от требований запроса.



Рисунок 9 - Диаграмма последовательности



Кооперативная диаграмма

Вторым видом диаграммы взаимодействия является кооперативная диаграмма. Подобно диаграммам последовательности, кооперативные диаграммы (collaborations) отображают поток событий через конкретный сценарий варианта использования. Диаграммы последовательности упорядочены по времени, а кооперативные диаграммы больше внимания заостряют на связях между объектами. На рисунке 10 приведена кооперативная диаграмма, описывающая, как контроллер управляет работой.

Рисунок 10 - Кооперативная диаграмма

Как видно из рисунка, здесь представлена вся та информация, которая была и на диаграмме последовательности, но кооперативная диаграмма по-другому описывает поток событий. Из нее легче понять связи между объектами, однако, труднее уяснить последовательность событий.

По этой причине часто для какого-либо сценария создают диаграммы обоих типов. Хотя они служат одной и той же цели и содержат одну и ту же информацию, но представляют ее с различных точек зрения.

На кооперативной диаграмме так же, как и на диаграмме последовательности, стрелки обозначают сообщения, обмен которыми осуществляется в рамках данного варианта использования. Их временная последовательность, однако, указывается путем нумерации сообщений. На диаграмме также отражено как каждый из объектов ведет себя по отношению к другим (видимость).

Контроллер является глобальным (global) по отношению к другим объектам и используется совместно (shared). Объекты, относящиеся к датчикам, имеют видимость (parameter), то есть передаются параметром в другой объект Исполнительные устройства и таймер включены в объект (field).


Диаграмма компонентов

Диаграммы компонентов показывают, как выглядит модель на физическом уровне. На них изображены компоненты программного обеспечения и связи между ними. При этом на такой диаграмме выделяют два типа компонентов: исполняемые компоненты и библиотеки кода.

Каждый класс модели (или подсистема) преобразуется в компонент исходного кода. После создания они сразу добавляются к диаграмме компонентов. Между отдельными компонентами изображают зависимости, 

соответствующие зависимостям на этапе компиляции или выполнения программы.

В данном случае система разрабатывается на языке VС++. У каждого класса имеется свой собственный заголовочный файл и файл с расширением .СРР, так что каждый класс преобразуется в свои собственные компоненты на диаграмме.

Диаграммы компонентов применяются участниками проекта, кто отвечает за компиляцию системы. В соответствии с рисунком 9,10 видно, в каком порядке надо компилировать компоненты, а также, какие исполняемые компоненты будут созданы системой. На такой диаграмме показано соответствие классов реализованным компонентам. Она нужна там, где начинается генерация кода.
Рисунок 11 - Диаграмма компонентов




Диаграмма классов

Диаграмма классов определяет типы классов системы и различного рода статические связи, которые существуют между ними. На диаграммах классов изображаются также атрибуты классов, операции классов и ограничения, которые накладываются на связи между классами.

В языке UML определены три основных стереотипа классов: Boundary (граница), Entity (сущность) и Control (управление).

Граничными классами (boundary classes) называются классы, которые расположены на границе системы и всей окружающей среды. Это экранные формы, отчеты, интерфейсы с аппаратурой (такой как принтеры или сканеры) и интерфейсы с другими системами.

Чтобы найти граничные классы, надо исследовать диаграммы вариантов использования. Каждому взаимодействию между действующим лицом и вариантом использования должен соответствовать, по крайней мере, один граничный класс. Именно такой класс позволяет действующему лицу взаимодействовать с системой. Классы-сущности (entity classes) содержат хранимую информацию. Они имеют наибольшее значение для пользователя, и потому в их названиях часто используют термины из предметной области. Обычно для каждого класса-сущности создают таблицу в базе данных. Управляющие классы (control classes) отвечают за координацию действий других классов. Обычно у каждого варианта использования имеется один управляющий класс, контролирующий последовательность событий этого варианта использования. Управляющий класс отвечает за координацию, но сам не несет в себе никакой функциональности, так как остальные классы не посылают ему большого количества сообщений. Вместо этого он сам посылает множество сообщений. Управляющий класс просто делегирует ответственность другим классам, по этой причине его часто называют классом-менеджером.

В системе могут быть и другие управляющие классы, общие для нескольких вариантов использования. Например, может быть класс 

SecurityManager (менеджер безопасности), отвечающий за контроль событий, связанных с безопасностью. Класс TransactionManager (менеджер транзакций) занимается координацией сообщений, относящихся к транзакциям с базой данных. Могут быть и другие менеджеры для работы с другими элементами функционирования системы, такими как разделение ресурсов, распределенная обработка данных или обработка ошибок. Помимо упомянутых выше стереотипов можно создавать и свои собственные. Полученная диаграмма классов представлена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Диаграмма классов

В данной среде возможна генерация программного кода, при котором автоматически создается диаграмма классов. Это возможно благодаря 

библиотеке классов фирмы Microsoft - MFC. Для последующей генерации используется модуль Model Assistant. Необходимо для каждого класса указать стереотип класса, язык на котором он будет создан, и определить компонент, в котором этот класс будет храниться. Для данной системы был использован язык Microsoft Visual C++ v.6.0. В данном приложении также автоматически генерируется исходный код взаимодействующих классов на языке VC++, который в дальнейшем используется для создания визуальных моделей уже по написанному исходному коду.

Результатом проведенного моделирования в пакете Star UML является комплексный анализ применяемых средств автоматизации, рассмотрение всех состояний работоспособности системы, учет возможных отклонений и методов решения.




ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технологические установки перегонки нефти предназначены для разделения нефти на фракции и последующей переработки или использования их как компоненты товарных нефтепродуктов. Они составляют основу всех НПЗ. На них вырабатываются практически все компоненты моторных топлив, смазочных масел, сырье для вторичных процессов и для нефтехимических производств. От их работы зависят ассортимент и качество получаемых компонентов и технико-экономические показатели последующих процессов переработки нефтяного сырья.

Целью данного проекта была автоматизация колонны вакуумного блока установки ЭЛОУ АВТ - 6.

Несомненными преимуществами данной системы управления являются:

- высокая надежность;

- быстродействие;

- непрерывный контроль над системой;

- гибкость;

- экономичность.

На последних этапах были рассчитаны технико-экономические показатели внедрения АС. Срок окупаемости проекта составил 0,7 года.