Определение уровня автоматизации технологических объектов

Необходимо провести анализ существующей системы автоматизации с точки зрения ее технического совершенства и экономической целесообразности и эффективности. Важно оценить совершенство ее организационно-технической структуры, полноту функций, выполняемых системой, технический уровень средств автоматизации.

На уровне локальных систем регулирования и управления следует проанализировать правильность выбора мест установки первичных измерительных преобразователей, датчиков, мест приложения регулирующих воздействий; правильность выбора структуры АСР (одноконтурные, каскадные, комбинированные и др.) и качество их функционирования; совершенство и надежность электрических схем и устройств сигнализации, защиты, блокировки и управления, технический уровень их элементной базы; выявить наличие приборов анализа качества и состава, позволяющих вести процесс по показателям качества продукта и соответствующим технико-экономическим показателям.

На втором и более высоких уровнях управления определяют перечень функций и задач, выполняемых существующей системой, анализируют техническое совершенство и эффективность работы этого уровня, используемые сетевые магистрали, протоколы (интерфейсы) и сетевое оборудование, скорость обмена информацией между уровнями, надежность работы системы.

Перечисленные характеристики определяют сложность задачи автоматизации и позволяют грамотно решить задачу автоматизации технологических объектов.

 

Уровень автоматизации характеризует долю труда по управле­нию технологическим объектом, производимую автоматически, без участия человека. Количественная оценка его осуществляется с помощью показателя К. При использовании этого показа­теля можно проводить анализ состояния автоматизации действующих и планирование основных направлений работ по автоматизации реконструируемых и строящихся ТОУ. Максималь­ное значение показателя К равно 1, а нормативное значение его принимают в диапазоне 0,75–0,9. Показатель К рассчитывают по уравнению

(144)

 

где K_i – частные показатели уровня автоматизации отдельных функций управления;

α_i – коэффициент «важности» функций, определяющий относительную значимость данной функции в общем процессе управления, значения которого приведены ниже.

Таблица А.1. Значения коэффициента «важности» функций

i	Функции управления	αi
	Контроль технологических параметров	0,9
	Контроль параметров качества сырья, полуфабрикатов и целевых продуктов	0,9
	Регистрация технологических параметров	0,7
	Контроль состояния основного оборудования	1,0
	Контроль работоспособности комплекса технических средств (КТС)	1,0
	Расчет технико-экономических показателей (ТЭП)	0,8
	Анализ технологических ситуаций	0,7
	Пуск и останов	0,8
	Управление технологическим процессом	0,9
	Оптимизация технологического процесса	0,9
	Оценка качества ведения технологического процесса	0,7
	Обмен информацией со смежными и вышестоящими уровнями управления	0,7

 

Если система автоматизации не выполняет какую-либо функ­цию управления, то частный показатель уровня автоматизации этой функции принимают равным нулю.

Показатель уровня автоматизации контроля технологических параметров К₁ рассчитывают по уравнению

(145)

где n_1j – число параметров, контролируемых по способу j;

n₁₀ – общее число контролируемых параметров;

K_lj – коэффициент конкретного способа реализации контроля технологических параметров, значения которого
приведены ниже.

Таблица А.2. Значения коэффициента конкретного способа реализации контроля технологических параметров

j	Способ реализации контроля технологических параметров	K1j
	Контроль приборами по месту	0,2
	Щитовая система контроля с сигнализацией отклонения параметров	0,7
	Контроль, сигнализация отклонения параметров и вызов на цифровые приборы с применением средств централизованного контроля и управления (Старт, Режим, Каскад, Микродат и т.п.)	0,85
	Контроль, сигнализация отклонения параметров, вызов на дисплей, печать параметров с применением ЭВМ, миниЭВМ и микропроцессорной техники	1,0

 

При расчете числа параметров контроля по способам реали­зации необходимо придерживаться следующих правил: во-пер­вых, один и тот же параметр не может входить в разные спо­собы реализации (его необходимо отнести к наиболее значимо­му способу); во-вторых, параметры, которые контролируются по месту приборами, поставляемыми комплектно с технологичес­ким оборудованием, а также приборами, необходимыми лишь для пуска, наладки и обследования ТОУ, не учитываются.

Показатель уровня автоматизации контроля параметров ка­чества сырья, полуфабрикатов и целевых продуктов К₂ опреде­ляют по уравнению

(146)

где n_2j – число параметров, контролируемых по способу j;

n₂₀ – общее число параметров контроля качества (устанавливается по технологическому регламенту);

K_2j – коэффициент кон­кретного способа реализации контроля параметров сырья, полу­фабрикатов и целевых продуктов, значения которого приведены ниже.

Таблица А.3. Значения коэффициента кон­кретного способа реализации контроля параметров сырья, полу­фабрикатов и целевых продуктов

j	Способ реализации контроля параметров качества	K2j
	Химические и физико-химические методы лабораторного контроля	0,2
	Инструментальные методы полуавтоматического лабораторного контроля	0,5
	Контроль на автоматизированном оборудовании с обработкой результатов анализа	0,8
	Автоматические анализаторы на потоке или (и) расчет параметров контроля с помощью ЭВМ, миниЭВМ и микропроцессорной техники	1,0

 

Показатель уровня автоматизации регистрации технологических параметров К₃ рассчитывают следующим образом:

(147)

 

где n_3j – число параметров, регистрируемых по способу j;

n₃₀ – общее число регистрируемых параметров;

K_3j – коэффициент кон­кретного способа реализации регистрации технологических параметров, значения которого
приведены ниже.

 

 

Таблица А.4. Значения коэффициента кон­кретного способа реализации регистрации технологических параметров

j	Способ реализации регистрации параметров	K3j
	Ручная регистрация	0,2
	На диаграммах вторичных приборов	0,6
	Средствами централизованного контроля и управления	0,85
	Печать параметров, режимных листов, сводок, графика или таблицы, с применением ЭВМ, миниЭВМ и микропроцессорной техники	1,0

 

Показатель уровня автоматизации контроля состояния («включено», «выключено», «закрыто», «открыто») оборудования K₄ рассчитывается
по формуле

(148)

где n_4j – число единиц машинного оборудования, имеющего привод (насосные и компрессорные агрегаты, аппараты воздушного охлаждения и т.п.), а также запорной арматуры на трубопроводах, контролируемых по способу j;

n₄₀ – общее число единиц основного оборудования;

K_4j – коэффициент кон­кретного способа реализации контроля состояния оборудования, значения которого приведены ниже.

Таблица А.5. Значения коэффициента кон­кретного способа реализации контроля состояния оборудования

j	Способ реализации контроля состояния основного оборудования	K4j
	Контроль по месту	0,2
	Контроль и сигнализация с помощью щитовой системы	0,7
	Контроль и сигнализация на центральном пульте управления, мнемосхеме и щите в операторной или (и) на мнемосхеме дисплея и печати с применением средств централизованного контроля и управления, ЭВМ и микропроцессорной техники	0,85
	Контроль и сигнализация состояния и диагностика^**** оборудования	1,0

 

 

Показатель К₅ уровня автоматизации контроля работоспо­собности комплекса технических средств (в состав которого входят средства получения, преобразования, хранения, отображения и регистрации сигналов, средства передачи информации в системе, в смежные и вышестоящие АСУ, исполнительные механизмы и управляющие вычислительные комплексы) определяют по формуле

(149)

где K_5j – коэффициент конкретного способа реализации контроля работоспособности комплекса технических средств (КТС), значения которого приведены ниже.

Таблица А.6. Значения коэффициента конкретного способа реализации контроля работоспособности комплекса технических средств (КТС)

j	Способ реализации контроля работоспособности КТС	K5j
	Ручная фиксация моментов сбоя и выхода из строя частей КТС и устранение неисправностей вмешательством оперативного персонала	0,2
	Контроль, сигнализация, вызов на цифровые приборы данных о работоспособности КТС путем проверки информации на достоверность средствами централизованного контроля и управления	0,7
	Контроль, сигнализация, вызов на дисплей, печать данных о работоспособности КТС с применением алгоритмов и программ тестового и диагностического контроля средствами ЭВМ и микропроцессорной техники	0,85
	Автоматический переход на горячий резерв как системы в целом, так и отдельных каналов при обнаружении отказов	1,0

 

Отметим, что показатель К₅, а также показатели К₇, К₁₀ и К₁₁ могут принимать промежуточные значения в зависимости от способов реализации.

Показатель К₆ уровня автоматизации расчета технико-эко­номических показателей (ТЭП) определяют по уравнению

(150)

 

где n_6j – число ТЭП, рассчитанных по способу j;

n₆₀ – общее число ТЭП;

K_6j – для каждой группы показателей выбирают в зависимости от способа реализации функции расчета ТЭП, исходя
из табл. А.7.

Таблица А.7. Способ реализации функции расчета ТЭП

j	Способ реализации функции расчета ТЭП	K6j
	ТЭП, рассчитанные по показаниям приборов вручную	0,2
	ТЭП, рассчитанные с помощью средств централизованного контроля и управления, ЭВМ, миниЭВМ и микропроцессорной техники	1,0

 

 

В состав ТЭП входят:

§ объемы (фактические и плановые) пе­реработанного сырья, целевых продуктов, потерь, энергозатрат и потребляемых материалов;

§ отборы (фактические и плановые) целевых продуктов;

§ материальный и тепловой балансы;

§ удель­ные энергозатраты (фактические и плановые);

§ себестоимость целевой продукции (фактическая и плановая).

(151)

Показатель уровня автоматизации анализа технологических ситуаций К₇ определяют следующим образом:

 

где K_7j – коэффициент конкретного способа реализации функции анализа технологических ситуаций, значения которого приведены ниже.

 

Таблица А.8. Значения коэффициента конкретного способа реализации функции анализа технологических ситуаций

j	Способ реализации функции анализа технологических ситуаций	K7j
	По показанию приборов по месту	0,2
	По диаграммам приборов и сигнализации отклонений параметров на щите в операторной	0,8
	По сигнализации отклонений параметров на центральном пульте управления, мнемосхеме и щите в операторной или (и) на мнемосхеме дисплея и печати с применением устройств централизованного контроля ЭВМ и микропроцессорной техники	0,9
	По специальным алгоритмам анализа ситуаций с выдачей рекомендаций по управлению	1,0

 

(152)

Показатель уровня автоматизации пуска и останова К₈ рас­считывают
по формуле

 

где n_8j – число единиц оборудования, запускаемого (останавливаемого) по способу j;

n₈₀ – общее число единиц оборудования;

K_8j – коэффициент конкретного способа реализации функции пуска и останова, значения которого приведены ниже.

Таблица А.9. Значения коэффициента конкретного способа реализации
функции пуска и останова

j	Способ реализации функции пуска и останова	K8j
	С использованием ручного привода и приборов по месту	0,2
	С использованием дистанционного управления и контроля	0,6
	С использованием отдельных программных устройств или алгоритмов	0,8
	Полностью автоматически	1,0

 

Показатель уровня автоматизации управления технологиче­ским процессом К9 определяют по формуле

(153)

 

где n_9j – число контуров регулирования, участвующих в управлении по способу j;

n₉₀ – общее число контуров регулирования, участвующих
в управлении;

K_9j – коэффициент конкретного способа реализации функции управления технологическим процессом, значения которого приведены ниже.

 

Таблица А.10. Значения коэффициента конкретного способа реализации функции управления технологическим процессом

j	Способ реализации функции управления	K9j
	Стабилизация параметров процесса в щитовом варианте	0,7
	Стабилизация параметров процесса в щитовом варианте с применением анализаторов качества	0,8
	Стабилизация параметров процесса с применением средств централизованного контроля и управления и (или) микропроцессорных контроллеров	0,9
	Супервизорное и непосредственное цифровое управление	1,0

 

Показатель уровня автоматизации оптимизации технологи­ческого процесса К₁₀ рассчитывают следующим образом:

(154)

 

где K_10j – коэффициент конкретного способа реализации функции оптимизации технологического процесса, значения которого приведены ниже.

 

Таблица А.11. Значения коэффициента конкретного способа реализации функции оптимизации технологического процесса

j	Способ реализации функции оптимизации	K10j
	Оптимизация технологического процесса в режиме совета оператору	0,85
	Автоматическое оптимальное управление	1,0

 

Показатель уровня автоматизации оценки качества ведения технологического процесса К₁₁ рассчитывают так:

(155)

 

где K_11j – коэффициент конкретного способа реализации функции оценки качества ведения технологического процесса, значения которого приведены ниже.

 

Таблица А.12. Значения коэффициента конкретного способа реализации функции оценки качества ведения технологического процесса

j	Способ реализации функции оптимизации	K11j
	Оценка качества ведения технологического процесса производится неавтоматически	0,2
	Оценка качества ведения процесса с использованием комплексных показателей, рассчитываемых автоматически	0,6
	Оценка качества проводится полностью, с использованием ЭВМ рассчитываемых показателей	1,0

Комплексная оценка качества ведения технологического про­цесса учитывает выполнение сменного плана, потери сырья, экономию энергоресурсов, «выбеги» основных технологических параметров, выполнение санитарно-технических норм.

Показатель уровня автоматизации обмена информацией со смежными и вышестоящими уровнями управления К₁₂ опреде­ляют по формуле

(156)

 

 

где n_12j – число единиц информации, передаваемой по способу j;

n₁₂₀ – общее число единиц информации, передаваемой в смежные и вышестоящие уровни управления;

K_12j – коэффициент конкретного способа реализации функции обмена информацией со смежными и вышестоящими уровнями управления, значения которого приведены ниже.

 

Таблица А.13. Значения коэффициента конкретного способа реализации функции обмена информацией со смежными и вышестоящими уровнями управления

j	Способ реализации функции управления	K12j
	При помощи курьера	0,2
	С помощью телефонной связи	0,3
	С помощью телеграфной и факсимильной связи	0,7
	С помощью терминальных устройств и ЭВМ	0,9
	Автоматический межмашинный обмен информацией	1,0

 

Ниже приведен пример расчета частных и комплексных по­казателей уровня автоматизации для двух вариантов (в вари­анте II система управления базируется на миниЭВМ типа СМ) систем управления комбинированной установкой электрообессо­ливания и атмосферно-вакуумной трубчатки (ЭЛОУ-АВТ) в нефтеперерабатывающей промышленности. Исходные данные для расчета приведены в табл. 41.

(157)

В результате получим следующие значения показателя К:

К_I=0,53, К_II=0,85.

Результаты расчетов показывают, что уровень автоматиза­ции, обеспечиваемый щитовой системой управления варианта I, равен 0,52, что значительно ниже нормативного значения (0,75–0,9). Лишь использование вычислительной техники с ее большими возможностями позволяет достичь заданных значений показателя уровня.

Для решения вопроса о целесообразности и уровне автоматизации данного производственного процесса важно правильно оценить ее экономическую эффективность. До настоящего времени универсаль­ного метода решения этой задачи не имеется, однако некоторые пути решения ее можно наметить.

Известно, что показателем, учитывающим состояние техники производства, совершенство технологии, количество занятых рабо­чих, капитальные затраты, эксплуатационные расходы и другие факторы, важные для оценки степени эффективности автоматиза­ции, является себестоимость продукции. Поэтому анализ себесто­имости получаемых продуктов на той или иной технологической установке можно использовать при технико-экономическом обследо­вании для определения тех участков, где применение и повышение уровня автоматизации наиболее рационально.

Таблица А.14. Исходные данные для расчета частных и комплексных показателей уровня автоматизации

Функция управления i	Способ реализации функции j	Вариант I	Вариант II
nij	Kij	ni0	Ki	nij	Kij	ni0	Ki
					0,7				0,71
			0,7				0,7
					0,6				0,81
			0,5				0,5
			0,8				0,8
					0,6				0,77
			0,6				0,6
					0,7				0,85
			0,7
							0,85
					0,2				0,85
		+	0,8
						+	0,85
					0,2
			0,2
					0,8				0,95
		+	0,8
						+	0,9
						+
					0,6				0,8
			0,6
							0,8
					0,7				0,8
			0,7				0,7
									0,85
						+	0,85
					0,2
		+	0,2
						+
					0,25
			0,2						0,8
			0,3
							0,7
							0,9

 

Структура себестоимости зависит от многих факторов: масшта­ба производства, цен на сырье, топливо, энергию, поэтому результа­ты анализа
не всегда будут однозначными. Изучая же структуру себестоимости данного производства, всегда можно сделать ­необходимые выводы о наиболее успешных направлениях автомати­зации.

В качестве примера рассмотрим структуру себестоимости полу­чения нефтепродуктов и выразим ее в условных относительных величинах.
Из табл. 42 видно, что большую долю затрат в процес­сах переработки нефти составляет стоимость сырья и основных ма­териалов. Остальные статьи
затрат в десять и более раз меньше. Поэтому главной задачей автоматизации процессов переработки неф­ти (а также нефтехимических процессов)
является повышение про­изводительности, обеспечение минимальных
потерь сырья, увели­чение выходов целевых продуктов, повышение
их качества и т. п.

Таблица А.15. Себестоимость производства нефтепродуктов

Статьи расходов	Стоимость, %
Сырье и основные материалы
Вспомогательные материалы
Энергетические затраты
Зарплата с начислениями
Амортизация
Прочие расходы
Итого

 

В табл. А.15 приведены средние данные в целом по нефтеперерабатывающей промышленности. При анализе себестоимости необходимо более детально рассматривать отдельные установки завода, отдельные производственные подразделения, чтобы наметить конк­ретные мероприятия по их автоматизации.

Если рассматривать ­структуру себестоимости не в целом по заводу,
а по каждой техно­логической установке, то она будет отличаться от данных, приведенных в табл. 16. Например, доля затрат на зарплату
по электрообессоли­вающей установке (ЭЛОУ) составляет всего только около 0,6%, а по установке АВТ до 1 %. Поэтому повышение уровня автоматизации названных процессов с целью высвобождения обслуживающего персонала
не дает заметного экономического эффекта. Основная экономическая эффективность получается за счет увеличения выхода целевых продуктов.

Так, например, повышение выхода светлых нефтепродуктов
на установке АВТ мощностью 1 млн. т. нефти в год только на 0,5% да­ет экономию около 6000 тыс. руб. Экономия от увеличения производи­тельности по сырью оказывается меньше, чем экономия от уве­личения выхода целевых, в частности светлых, нефтепродуктов.

Например, повышение выхода светлых нефтепродуктов на установке АВТ на 0,5% дает ежегодно экономию, эквивалентную повышению производительности по сырью порядка 8% при том же проценте вы­хода светлых нефтепродуктов по отношению к сырью.

Применение новых схем взаимосвязанного регулирования, средств автоматизации, автоматической коррекции по качеству получаемых продуктов с помощью автоматических анализаторов состава и физико-химических свойств позволяет поддерживать режим процес­са близким к оптимальному с небольшими колебаниями. При этом выход целевых продуктов и производительность по сырью увели­чиваются.

Например, на установке глубокой депарафинизации масел нестабильность физико-химических свойств сырья и технологического режима при частичной автоматизации приводила к получению масляных компонентов с большими колебаниями почти по всем показателям физико-химических свойств. Внедрение схем связанного ре­гулирования и применение анализаторов качества повысило выход депарафинированного масла
со стабильными свойствами на 2,7%, что дало экономию 5000 тыс. руб. в год, повысило производительность на 3,5% при работе на трансформаторном дистилляте и на 2% при работе на веретенном, что дало экономию
200 тыс. руб. в год.

На установке контактной очистки масел стабилизация физико-химических свойств сырья и технологического режима при повышении
уровня автоматизации дала экономию от увеличения выхода ком­понентов масел 9050 тыс. руб.

В ряде случаев экономический эффект автоматизации заключает­ся не только в снижении себестоимости получаемых продуктов, но и в повышении их качества.

Например, экономический эффект от ав­томатизации ЭЛОУ заключается в получении нефти с минимальным содержанием солей и воды, так как обессоленная нефть является сырьем для последующих установок:
АВТ и термического крекин­га. Снижение содержания солей в нефти уменьшает коррозию кон­денсаторов и других аппаратов, вследствие
чего увеличивается меж­ремонтный пробег установки АВТ, сокращаются затраты на текущие ремонты и эксплуатационные расходы. Кроме того, снижается содержание солей в гудроне, что улучшает качество крекинг-остатка (котельного топлива), уменьшается отложение солей в трубах печей
и другой аппаратуре.

При решении вопроса о целесообразности работ по автоматиза­ции резервуарных парков нефтеперерабатывающих заводов проекти­руемые затраты обычно сравниваются только с экономией по зара­ботной плате.
При этом такие реальные результаты автоматизации, как повышение степени использования полезного объема резерву­аров, ускорение их оборачиваемости, снижение потерь нефти и неф­тепродуктов и другое,
часто не учитываются. При таком расчете действительный эффект значительно уменьшается.

Внедрение средств автоматизации для выполнения операций по замеру уровня жидкости, переключению резервуаров, дренирова­нию подтоварной воды, отбору проб сырья, полупродуктов и гото­вой продукции, управлению внутризаводской перекачкой ускоряет проведение большой части операций, сокращает общую продолжи­тельность цикла с начала заполнения резервуара и до очередного наполнения, увеличивает скорость оборота резервуаров.
В результа­те при неизменном объеме перекачек потребность в емкости резервуаров уменьшается, что позволяет получить экономию на капи­тальных затратах при сооружении резервуаров и текущих затратах
при их обслуживании.

Нефтеперерабатывающий или нефтехимический завод – слож­ный комплекс взаимосвязанных процессов, объединенных в техно­логические цепочки. Между процессами одной цепочки установле­ны определенные производственно-технологические связи с конечной целью выработки заданного объема и ассортимента продуктов. Изменение показателей работы одного процесса в комплексе вызы­вает изменение показателей работы других, улучшая или ухудшая их.

Так, например, уменьшение в процессе первичной перегонки нефти объема выработки масляного гудрона и ухудшение его качества вызовут уменьшение производительности установок деасфальти­зации гудрона, выхода деасфальтизата и ухудшение его качества. К этому приведет в процессе селективной очистки и переработка меньшего количества и худшего по качеству деасфальтизата, а в процессе депарафинизации – переработка меньшего по объему и худшего по качеству остаточного рафината. В конечном счете это скажется на снижении объема и ухудшении качества товарных остаточных масел. Внедрение в процессе АВТ мероприятий, в частности повышение уровня автоматизации, улучшающих качество масляно­го гудрона и увеличивающих его выход, приведет к улучшению тех­нико-экономических показателей не только процесса АВТ,
но и процессов по производству смазочных масел.

Из сказанного выше следует, что при оценке технико-экономической эффективности автоматизации нефтеперерабатывающего или нефтехимического завода следует исходить не только из анализа структуры себестоимости продукции на отдельных технологических установках,
но и учитывать связи между технологическими процес­сами, влияние
их друг на друга.

Приложение Б

Оптимальное проектирование систем управления.
Экономические критерии

Анализ вариантов технической реализации различных систем автоматического управления и выбор наилучшего решения часто производится на основе инженерного опыта. Однако проектирование сложных комплексов, каковыми являются АСУ, наталкивает­ся на трудности, связанные с отсутствием специальной достаточно формализованной методики.

Стремление неограниченно повышать экономию от управления приводит к усложнению системы, которая в конечном итоге может оказаться неоправданной из-за возрастания капитальных вложений на ее реализацию. В связи с этим возникает проблема проектирования экономически оптимальных систем с учетом соотношения между обеспечиваемым эффектом и затратами на реализацию. Ме­тоды решения таких задач называют методами оптимального проектирования систем управления.

(158)

Для оценки экономической эффективности систем в ходе их проектирования может служить величина

ε=ε(S, I),

где S – по­лезный эффект, обеспечиваемый системой;

I – затраты на реализа­цию этой системы.

(159)

В свою очередь S и I являются функциями от некоторого век­тора параметров системы m. Тогда оценка экономической эффек­тивности, используемая при оптимальном проектировании, есть ε(m). В частности, критерием оптимального проектирования мо­жет служить величина

ε(m)=S(m)/I(m) → max.

Чаще применяется критерий вида:

(160)

ε(m)=[S(m)–I(m)] → max.

Это может быть экономия приведенных затрат, определяемая по формуле

(161)

ε=e–EK,

где e=s–a – годовая экономия производственных затрат;

s – экономия, доставляемая системой управления;

a – затраты на эксплуатацию системы.

Основная трудность решения задач оптимального проектиро­вания заключается в получении достаточно точных моделей S(m) и I(m).

Частным случаем оптимального проектирования является ре­шение задачи max S(m) при I(m), заданной в виде некоторой по­стоянной величины или некоторых ограничений. Такой метод оптимального проектирования наз