СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

Факультет інформаційних технологій та електроніки

Кафедра комп’ютерно-інтегрованих систем управління

PПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до магістерської науково-дослідної роботи

освітній ступінь: магістр

спеціальність: 151 – Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології

(шифр і назва спеціальності)

спеціалізація __________________________________________________

(назва спеціалізації)

на тему «Розробка та дослідження комп'ютерно-інтегрованої системи контролю та керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри»

Виконав: студент групи _АТП-24дм_	_________ В.Г. Калашник

( підпис )

Керівник	_________ П.Й. Єлісєєв

( підпис )

Завідувачка кафедри	_________ М.Г. Лорія

( підпис )

Рецензент	_________

( підпис )

Київ – 2025 р.

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

Факультет: Інформаційних технологій та електроніки

Кафедра: Комп’ютерно-інтегрованих систем управління

Освітньо-кваліфікаційний рівень: Магістр

Напрям підготовки: 151 – Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідувачка каф. КІСУ

_______________________ М.Г.Лорія

«______» ______________ 2025 року

ЗАВДАННЯ

НА МАГІСТЕРСЬКУ НАУКОВО-ДОСЛІДНУ РОБОТУ

ЗДОБУВАЧУ ВИЩОЇ ОСВІТИ Калашник Володимир Григорович

1. Тема магістерської НДР: «Розробка та дослідження комп'ютерно-інтегрованої системи контролю та керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри»

2. Керівник роботи: доц. Єлісєєв П.Й.

Затверджені наказом вищого навчального закладу №596/15.12-С від 10.11.2025 р.

3. Термін подання студентом роботи 14 грудня 2025 р.

4. Висхідні дані до роботи:

4.1. Технологічний регламент виробництва.

4.2. Інструкція оператора по експлуатації АСК ТП.

4.3. Публікації по автоматизованому керуванню технологічними процесами виробництва аміачної селітри.

4.4. Публікації по моделюванню складних систем контролю та керуванню технологічними процесами виробництва аміачної селітри.

5. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно розробити):

5.1. Вступ.

5.2. Аналіз сучасного стану автоматизації технологічних процесів керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри.

5.3. Аналіз автоматизованих систем контролю та керування технологічними процесами керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри і розробка завдань для виконання магістерської науково-дослідної роботи.

5.4. Розробка та аналіз математичних моделей процесу керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри.

5.5. Теоретичні дослідження математичних моделей процесу керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри.

5.6. Розробка мнемосхем комп'ютерно-інтегрованої системи управління (КІСУ) процесом керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри.

5.7. Розробка програмного забезпечення роботи КІСУ ТП в динамічному режимі роботи.

5.8. Аналіз результатів теоретичних досліджень.

5.9. Висновки.

6. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)

6.1. Мнемосхеми КІСУ процесом керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри.

6.1.1. Основна мнемосхема контролю та керування процесом керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри.

6.1.2. Архітектура КІСУ ТП.

6.1.3. Мнемосхеми рапортів і повідомлень.

6.2. Мнемосхема роботи КІСУ ТП в динамічному режимі роботи.

6.3. Математичні моделі процесом керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри.

6.4. Статичні та динамічні характеристики процесу керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри.

6.5. Результати оптимального керування процесом керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри.

7. Дата видачі завдання: 25 жовтня 2025 р.

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

№ з/п	Назва етапів дипломного роботи	Термін виконання етапів роботи	Примітка
1.	Аналіз сучасного стану автоматизації технологічних процесів.	1.11.2025
2.	Аналіз автоматизованих систем контролю та керування технологічними процесами керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри і розробка завдань для виконання магістерської науково-дослідної роботи.	1.11.2025
3.	Розробка математичних моделей процесу керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри.	5.11.2025
4.	Розробка мнемосхем комп'ютерно-інтегрованої системи управління (КІСУ) процесом керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри.	8.11.2025
5.	Розробка програмного забезпечення роботи КІСУ ТП в динамічному режимі роботи.	15.11.2025
6.	Теоретичні дослідження математичних моделей процесу керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри.	25.11.2025
7.	Аналіз результатів теоретичних досліджень.	1.12.2025
9.	Оформлення пояснювальної записки дипломного проекту та презентації.	14.12.2025

Здобувач вищої освіти _________________ В.Г. Калашник

Керівник магістерської НДР _____________________ П.Й. Єлісєєв

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка до дипломного проекту магістра: 53 с., 5 рис., 1табл., 12 бібліографічних джерел посилань, 22 формули.

Метою роботи є розроблення та дослідження математичних моделей процесу керування рівнем у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри та розробка комп’ютерно-інтегрованої системи управління з використанням сучасних засобів автоматизації, регулювання та операторської візуалізації.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішено такі основні завдання:
проаналізовано сучасний стан автоматизації процесів керування рівнем у хімічних виробництвах та особливості експлуатації сховищ аміачних розчинів;
досліджено методи вимірювання рівня рідини та виконано порівняльний аналіз засобів контролю, придатних для агресивних і токсичних середовищ;
розроблено математичні моделі процесу зміни рівня у сховищі слабкого розчину аміаку з урахуванням нелінійностей та збурень;
проведено теоретичні дослідження статичних і динамічних характеристик об’єкта керування та виконано аналіз стійкості системи з ПІ-регулятором;
розроблено структурну та функціональну архітектуру комп’ютерно-інтегрованої системи керування технологічним процесом;
створено мнемосхеми операторського інтерфейсу та описано режими роботи системи автоматичного керування рівнем.
Об'єкт дослідження: процес керування рівнем у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри.

Предмет дослідження: методи та засоби автоматизованого керування рівнем, математичні моделі динаміки об’єкта, алгоритми регулювання та програмно-технічні рішення комп’ютерно-інтегрованих систем управління технологічними процесами.

Основні положення, результати моделювання та висновки магістерської роботи були зроблені під час виконання імітаційних досліджень у середовищі MATLAB/Simulink та використані при розробленні структурної схеми й мнемосхем КІСУ ТП. Запропоновані технічні рішення забезпечують підвищення точності та стійкості регулювання рівня, зменшення впливу збурень і підвищення безпеки експлуатації сховищ слабкого розчину аміаку в умовах хімічного виробництва.

Ключові слова: АВТОМАТИЧНЕ КЕРУВАННЯ РІВНЕМ, СХОВИЩЕ СЛАБКОГО РОЗЧИНУ АМІАКУ, КОМП’ЮТЕРНО-ІНТЕГРОВАНА СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ, ПІ-РЕГУЛЯТОР, МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ, МНЕМОСХЕМА, SCADA, НАДІЙНІСТЬ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦІЇ.

Умови одержання дипломного проекту: СНУ ім. Володимира Даля, вул. Іоанна Павла ІІ, 17, м. Київ, 01042.

АНОТАЦІЯ

Калашник В.Г. Автоматизована система керування рівнем у сховищі слабкого розчину аміаку.

У роботі досліджено процеси автоматичного керування рівнем у сховищах слабкого розчину аміаку, що використовуються у виробництві аміачної селітри, та проаналізовано особливості їх експлуатації в умовах агресивного й токсичного хімічного середовища. Обґрунтовано необхідність застосування комп’ютерно-інтегрованих систем керування для підвищення безпеки, надійності та стабільності технологічних режимів.

Розроблено математичні моделі динаміки зміни рівня рідини з урахуванням нелінійностей, збурень та обмежень виконавчих механізмів. Запропоновано структуру системи автоматичного регулювання рівня з використанням ПІ-регулятора, виконано аналіз стійкості та якості перехідних процесів. Розроблено структурну схему та мнемосхеми операторського інтерфейсу, що забезпечують наочне відображення технологічного процесу, контроль параметрів і підтримку безпечних режимів роботи.

Практична цінність роботи полягає у можливості використання запропонованих моделей і технічних рішень під час проєктування та модернізації систем автоматизації сховищ аміачних розчинів, що дозволяє знизити ризик аварійних ситуацій, підвищити точність регулювання та надійність функціонування технологічного обладнання.

Ключові слова: автоматичне керування рівнем, слабкий розчин аміаку, сховище, комп’ютерно-інтегрована система керування, ПІ-регулятор, математичне моделювання, мнемосхема, безпека технологічних процесів.

ABSTRACT

Kalashnyk V.G. Automated level control system in a weak ammonia solution storage.

The work investigates the processes of automatic level control in weak ammonia solution storages used in the production of ammonium nitrate, and analyzes the features of their operation in aggressive and toxic chemical environments. The need for the use of computer-integrated control systems to improve safety, reliability and stability of technological modes is substantiated.

Mathematical models of the dynamics of liquid level changes are developed, taking into account nonlinearities, disturbances and limitations of actuators. The structure of the automatic level control system using a PI controller is proposed, and the stability and quality of transient processes are analyzed. A structural diagram and mnemonic diagrams of the operator interface are developed, which provide a visual display of the technological process, parameter control and support for safe operating modes.

The practical value of the work lies in the possibility of using the proposed models and technical solutions when designing and modernizing automation systems for ammonia solution storage facilities, which allows reducing the risk of emergency situations, increasing the accuracy of regulation and reliability of technological equipment.

Keywords: automatic level control, weak ammonia solution, storage facility, computer-integrated control system, PI controller, mathematical modeling, mnemonic diagram, safety of technological processes.

Зміст

Вступ	4

1. Аналіз сучасного стану автоматизації технологічних процесів керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри	6

1.1 Актуальність розробки системи контролю рівня	6

1.2 Класифікація систем керування рівнем у сховищах хімічних виробництв	8

1.3 Порівняльний аналіз сучасних засобів вимірювання та керування рівнем	10

1.4 Слабкий розчин аміаку та аміачна селітра: характеристики, властивості та технологія отримання	13

1.5 Нормативні вимоги та стандарти до систем керування рівнем у хімічних виробництвах	19

1.6 Особливості автоматизації об’єктів з агресивними та токсичними середовищами (аміак)	21

2. Аналіз автоматизованих систем контролю та керування технологічними процесами керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри	24

2.1 Оцінка існуючих підходів та обґрунтування використання комплексної системи	24

2.2 Формулювання завдань науково-дослідної роботи	25

2.3	Обґрунтування вибору підходів	26

2.4	Аналіз типових аварійних ситуацій у системах керування рівнем та методи їх запобігання	26

3. Розробка та аналіз математичних моделей процесу керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку	28

3.1 Постановка задачі та припущення	28

3.2 Опис і припущення	30

3.3 Моделі вихідного потоку і їх лініаризація	31

3.4 Статичні та динамічні характеристики; вплив збурень	33

3.5 Методи автоматизації технологічних процесів із застосуванням регуляторів П, ПІ та ПІД типу	35

3.6 Модель з PI-регулятором: характеристичне рівняння і умови стійкості	38

3.7 Аналіз якості перехідних процесів у замкненій системі керування рівнем	39

3.8 Вплив нелінійностей та обмежень виконавчих механізмів на роботу системи	40

4. Теоретичні дослідження математичних моделей процесу керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри.	41

4.1 Архітектура КІСУ ТП	41

4.2 Основна мнемосхема	44

4.3 Опис структурної схеми системи автоматичного керування рівнем	46

4.4 Режими роботи системи автоматичного керування рівнем	49

4.5 Надійність, відмовостійкість та діагностика системи автоматичного керування рівнем	51

Джерела	54

Вступ

Сучасний етап розвитку хімічної промисловості характеризується високими вимогами до ефективності, безпеки та екологічної надійності технологічних процесів. Одним із важливих напрямів підвищення цих показників є впровадження комп’ютерно-інтегрованих систем контролю та керування, які забезпечують стабільність параметрів технологічних процесів, зменшення впливу людського чинника та своєчасне реагування на відхилення від заданих режимів.

У виробництві аміачної селітри однією з ключових операцій є зберігання і дозування слабкого розчину аміаку, що використовується як проміжний продукт технологічного циклу. Надійність і безпечність процесу зберігання визначається стабільністю рівня рідини у сховищах, оскільки його коливання можуть призвести до порушення пропорцій реагентів, перевищення допустимих тисків або аварійних ситуацій. Тому забезпечення автоматизованого контролю та регулювання рівня слабкого розчину аміаку має важливе технологічне та економічне значення.

Традиційні системи контролю, що базуються на локальних приладах індикації та ручному регулюванні, не забезпечують необхідної точності, швидкодії та оперативності прийняття рішень. У зв’язку з цим актуальним є створення комп’ютерно-інтегрованої системи управління (КІСУ), яка дозволяє здійснювати безперервний моніторинг параметрів, автоматичне керування виконавчими механізмами, ведення архівів даних і передачу інформації на диспетчерський рівень.

Розробка такої системи передбачає дослідження процесу регулювання рівня у сховищі слабкого розчину аміаку, побудову його математичної моделі, аналіз динамічних характеристик та створення алгоритмів оптимального керування. Для цього необхідно провести теоретичні дослідження, вибрати структуру системи автоматизації, розробити мнемосхеми та програмне забезпечення, що забезпечить функціонування системи в динамічному режимі роботи.

Метою роботи є розробка та дослідження комп’ютерно-інтегрованої системи контролю і керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри, яка забезпечує підвищення стабільності технологічного процесу, скорочення енергетичних витрат і підвищення безпеки експлуатації.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

провести аналіз сучасного стану автоматизації процесів контролю рівня у хімічному виробництві;

розробити математичну модель процесу зміни рівня у сховищі слабкого розчину аміаку;

виконати теоретичні дослідження та аналіз динамічних характеристик системи;

створити мнемосхему та архітектуру комп’ютерно-інтегрованої системи;

оцінити ефективність запропонованих технічних і програмних рішень.

Результати виконаної роботи можуть бути використані при модернізації існуючих систем автоматизації виробництва аміачної селітри, а також у процесі навчання та підготовки фахівців у галузі комп’ютерно-інтегрованих технологій і автоматизованих систем керування.

1. Аналіз сучасного стану автоматизації технологічних процесів керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри

Технологічний процес виробництва аміачної селітри належить до складних хімічних процесів, що поєднують високотемпературні реакції нейтралізації, випаровування, грануляції та транспортування агресивних середовищ. Одним із важливих допоміжних етапів є зберігання і підготовка слабкого розчину аміаку, який використовується для приготування робочих сумішей. У сховищах цього типу необхідно підтримувати заданий рівень рідини, який забезпечує стабільність подачі компонентів у реакційні апарати[1].

Контроль і регулювання рівня є одним із найважливіших завдань систем автоматизації хімічних виробництв. Від правильності підтримання рівня залежить безперервність процесу, точність дозування реагентів і безпечність експлуатації обладнання. Коливання рівня можуть спричинити нестабільність тиску, зміни концентрації розчинів або навіть гідравлічні удари в трубопроводах, що становить небезпеку для персоналу та обладнання[2].

1.1 Актуальність розробки системи контролю рівня

Актуальність розробки систем контролю та керування рівнем у сховищах технологічних рідин зумовлена зростанням вимог до безпеки, надійності та ефективності функціонування хімічних виробництв.

У виробництві аміачної селітри слабкий розчин аміаку є одним із ключових допоміжних середовищ, стабільність параметрів якого безпосередньо впливає на перебіг процесів нейтралізації, донейтралізації та випарювання. Порушення рівня у сховищі може призвести до розбалансування матеріальних потоків, нестабільної роботи насосного обладнання, а в окремих випадках – до виникнення аварійних ситуацій.

У сучасних умовах експлуатації хімічних підприємств особливого значення набуває мінімізація людського фактору та перехід до автоматизованих і комп’ютерно-інтегрованих систем керування. Системи контролю рівня виконують не лише функцію підтримання заданого значення параметра, а й забезпечують інформаційну основу для аналізу стану технологічного процесу, оцінки ефективності використання сировини та енергоресурсів, а також своєчасного виявлення відхилень від нормального режиму роботи.

Необхідність удосконалення систем контролю рівня посилюється також особливостями фізико-хімічних властивостей слабкого розчину аміаку. Його летючість, корозійна активність та залежність щільності від температури ускладнюють процес вимірювання рівня і потребують застосування надійних, точних і стійких до агресивних середовищ засобів вимірювальної техніки. Недостатня точність або інерційність системи контролю може спричинити похибки регулювання, перевитрати реагентів та зниження загальної ефективності виробництва.

Крім того, сучасні вимоги до промислової безпеки та екологічного контролю передбачають постійний моніторинг технологічних параметрів із можливістю архівації даних, формування звітної документації та дистанційного доступу до інформації. У цьому контексті традиційні локальні системи керування рівнем, які не інтегровані з верхніми рівнями управління, не повною мірою відповідають потребам сучасного виробництва.

Впровадження комп’ютерно-інтегрованих систем контролю та керування рівнем, побудованих на базі програмованих логічних контролерів і SCADA-систем, дозволяє забезпечити безперервний збір і обробку даних у реальному часі, реалізувати адаптивні алгоритми регулювання та підвищити оперативність прийняття рішень. Інтеграція таких систем із MES- та ERP-рівнями створює передумови для оптимізації матеріальних і енергетичних потоків, підвищення економічної ефективності виробництва та зниження експлуатаційних витрат.

З цього можна зробити висновок, що розробка та дослідження комп’ютерно-інтегрованої системи контролю та керування рівнем у сховищі слабкого розчину аміаку є актуальним науково-технічним завданням, що відповідає сучасним тенденціям розвитку автоматизації хімічних виробництв. Реалізація такої системи сприятиме підвищенню стабільності технологічного процесу, зростанню рівня промислової безпеки та створенню основи для подальшої цифровізації виробництва аміачної селітри.

1.2 Класифікація систем керування рівнем у сховищах хімічних виробництв

Системи автоматизованого керування рівнем рідини у сховищах хімічних виробництв є складовою частиною загальної системи керування технологічними процесами та відіграють ключову роль у забезпеченні стабільності, безпеки й ефективності роботи підприємства. Для об’єктів зберігання слабкого розчину аміаку ці системи повинні враховувати специфічні фізико-хімічні властивості середовища, змінність режимів роботи та підвищені вимоги до промислової безпеки.

Класифікація систем керування рівнем дозволяє систематизувати існуючі технічні рішення, обґрунтувати вибір структури системи керування та визначити доцільні методи регулювання для конкретних умов експлуатації [3].

За ступенем автоматизації системи керування рівнем поділяються на ручні, автоматизовані та комп’ютерно-інтегровані.

Ручні системи керування передбачають контроль рівня та керування подачею або відбором рідини безпосередньо оператором. Такі системи можуть включати прості рівнемірні шкали, візуальні індикатори та ручні запірні органи. У сучасних умовах хімічного виробництва ручні системи практично не застосовуються через низьку точність, залежність від людського фактора та неможливість оперативного реагування на зміну технологічних параметрів.

Автоматизовані системи з локальним контуром регулювання забезпечують підтримання заданого рівня рідини за допомогою одного замкненого контуру, що включає датчик рівня, регулятор та виконавчий механізм. Такі системи є відносно простими, надійними та широко застосовуються у технологічних ємностях середнього об’єму, зокрема у сховищах слабкого розчину аміаку.

Автоматизовані системи, інтегровані у загальнозаводську систему керування, дозволяють передавати інформацію про рівень на центральний диспетчерський пункт, здійснювати архівацію даних та координувати роботу декількох технологічних контурів. У таких системах локальні регулятори взаємодіють із вищим рівнем керування, що забезпечує узгодженість технологічних процесів.

Комп’ютерно-інтегровані системи керування (КІСУ) є найбільш розвиненим класом систем автоматизації. Вони поєднують локальні контури регулювання з інформаційно-керуючими системами підприємства, дозволяючи реалізувати розширені функції діагностики, прогнозування та оптимізації режимів роботи сховищ. Для об’єктів зберігання аміачних розчинів такі системи забезпечують підвищений рівень безпеки та оперативного контролю.

За принципом вимірювання рівня системи керування поділяються на контактні та безконтактні.

Контактні системи використовують датчики, чутливі елементи яких безпосередньо контактують із рідиною. До них належать гідростатичні, поплавкові та ємнісні датчики. Перевагою таких систем є відносна простота реалізації та висока чутливість, однак у випадку агресивних середовищ вони потребують спеціальних матеріалів і регулярного технічного обслуговування.

Безконтактні системи базуються на вимірюванні рівня без фізичного контакту з рідиною. До них належать ультразвукові, радарні та лазерні рівнеміри. Такі системи особливо доцільні для сховищ слабкого розчину аміаку, оскільки знижують ризик корозії, витоків та відмов обладнання. Безконтактні методи вимірювання забезпечують підвищену надійність і стабільність показів за складних умов експлуатації.

За типом алгоритму регулювання системи керування рівнем поділяються на системи з двопозиційним, безперервним та інтелектуальним регулюванням.

Системи з двопозиційним (релейним) регулюванням характеризуються простотою реалізації та використовуються переважно у допоміжних або маловідповідальних контурах. У таких системах керуючий орган перебуває у двох фіксованих станах, що призводить до коливань рівня в межах заданого діапазону.

Системи з пропорційним, пропорційно-інтегральним або пропорційно-інтегрально-диференціальним регулюванням забезпечують безперервне формування керуючої дії залежно від величини та характеру відхилення рівня. ПІ- та ПІД-регулятори є найбільш поширеними у практиці керування рівнем, оскільки дозволяють поєднати високу точність регулювання зі стійкістю та прийнятною динамікою процесу.

Адаптивні та оптимізаційні системи керування використовують змінні параметри регулятора або спеціальні алгоритми оптимізації, що дозволяє враховувати зміну властивостей об’єкта керування. Такі системи знаходять застосування на складних та енергоємних виробництвах, проте потребують значних обчислювальних ресурсів і складного налаштування.

Для об’єктів зберігання слабкого розчину аміаку найбільш доцільними є автоматизовані системи керування з безконтактними засобами вимірювання рівня та використанням ПІ або ПІД-регуляторів. Така комбінація забезпечує необхідну точність підтримання рівня, стійкість процесу та високий рівень промислової безпеки, що є визначальним фактором для хімічних виробництв.

1.3 Порівняльний аналіз сучасних засобів вимірювання та керування рівнем

На сучасних підприємствах хімічної промисловості контроль рівня рідин у технологічних ємностях здійснюється переважно в автоматизованому режимі із застосуванням електронних вимірювальних засобів, програмно-логічних контролерів та систем диспетчерського керування і збору даних. Такий підхід дозволяє забезпечити безперервний контроль параметрів процесу, оперативну обробку вимірювальної інформації, формування керуючих впливів та передачу даних на верхній рівень управління підприємством [4].

Процес керування рівнем у сховищах слабкого розчину аміаку характеризується підвищеними вимогами до надійності та точності вимірювань, що зумовлено агресивними властивостями середовища, можливістю утворення парової фази та необхідністю дотримання жорстких норм промислової безпеки. Помилки у вимірюванні рівня можуть призводити до порушення технологічного режиму, аварійних ситуацій або зниження ефективності роботи виробництва.

Залежно від принципу дії та умов експлуатації у сховищах слабкого розчину аміаку найчастіше застосовуються гідростатичні, ультразвукові та радарні датчики рівня.

Гідростатичні датчики рівня працюють за принципом вимірювання тиску, створюваного стовпом рідини на певній глибині. Величина тиску пропорційна висоті рівня рідини та її густині. Такі датчики зазвичай встановлюються у нижній частині резервуара або у спеціальних вимірювальних трубах.

Основними перевагами гідростатичних датчиків є простота конструкції, відносно невисока вартість, надійність у роботі та можливість застосування у резервуарах різної геометричної форми. Крім того, вони добре інтегруються з автоматизованими системами керування та можуть використовуватись у вибухонебезпечних зонах за умови відповідного виконання.

Разом з тим, точність вимірювання гідростатичних датчиків істотно залежить від густини рідини, яка у випадку слабкого розчину аміаку змінюється залежно від температури та концентрації. Це призводить до появи систематичних похибок, що потребує періодичної компенсації або корекції показів. Додатковим недоліком є безпосередній контакт чутливого елемента з агресивним середовищем, що зумовлює підвищені вимоги до матеріалів мембрани та захисних покриттів.

Ультразвукові рівнеміри реалізують безконтактний метод вимірювання рівня, який ґрунтується на визначенні часу проходження ультразвукової хвилі від випромінювача до поверхні рідини та її відбиття назад до приймача. За відомою швидкістю поширення звукової хвилі обчислюється відстань до поверхні рідини, а відповідно і рівень у резервуарі.

Основною перевагою ультразвукових рівнемірів є відсутність контакту з рідиною, що суттєво підвищує довговічність обладнання при роботі з агресивними середовищами. Вони відносно прості у встановленні та обслуговуванні і не потребують проникнення в резервуар.

Водночас ефективність ультразвукових рівнемірів значною мірою залежить від стану газової фази над поверхнею рідини. У випадку сховищ слабкого розчину аміаку наявність парів аміаку, піни, конденсату або турбулентності поверхні може призводити до нестабільності сигналу та зниження точності вимірювання. Крім того, швидкість поширення ультразвуку змінюється з температурою і складом газового середовища, що потребує додаткової температурної компенсації.

Радарні рівнеміри є найбільш сучасними та технічно досконалими засобами вимірювання рівня рідин. Вони працюють за принципом випромінювання електромагнітних хвиль надвисокої частоти та реєстрації сигналу, відбитого від поверхні рідини. Вимірювання часу затримки або частотного зсуву дозволяє з високою точністю визначати рівень.

Основною перевагою радарних рівнемірів є їхня практична незалежність від температури, тиску, густини рідини та складу парової фази. Це робить їх особливо придатними для використання у сховищах слабкого розчину аміаку, де умови експлуатації є складними та змінними. Радарні датчики забезпечують високу точність, стабільність показів та тривалий термін служби.

До недоліків радарних рівнемірів слід віднести їхню високу вартість, а також підвищені вимоги до кваліфікації персоналу під час монтажу та налаштування. Проте з урахуванням вимог до безпеки та надійності в хімічному виробництві ці недоліки часто є прийнятними [5].

На основі проведеного порівняльного аналізу можна зробити висновок, що для умов зберігання слабкого розчину аміаку найбільш перспективними є радарні рівнеміри. Вони забезпечують високу точність, стабільність і надійність вимірювань незалежно від температурних та технологічних факторів, що є критично важливим для систем автоматизованого керування рівнем у хімічному виробництві.

Ультразвукові датчики можуть застосовуватись як компромісне рішення за умови належного урахування впливу парової фази та реалізації заходів щодо стабілізації сигналу. Гідростатичні та ємнісні датчики доцільно використовувати переважно у допоміжних або менш відповідальних контурах, де вимоги до точності та довготривалої стабільності є нижчими. Порівняльна характеристика різних датчиків представлена в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 – Порівняльні характеристики датчиків рівня

Тип датчика	Принцип дії	Тип контакту	Точність	Стійкість до агресивного середовища	Вплив температури та тиску	Захист від вибухів	Вартість
Гідростатичний	Вимірювання тиску стовпа рідини	Контактний	Середня	Середня (залежить від матеріалу мембрани)	Високий	Можливий	$200 – $800
Ультразвуковий	Вимірювання часу відбиття хвилі	Безконтактний	Середня	Висока	Середній	Можливий	$200 – $1 000
Радарний	Відбиття мікрохвиль	Безконтактний	Висока	Дуже висока	Мінімальний	Стандартно	$800 – $3 000

1.4 Слабкий розчин аміаку та аміачна селітра: характеристики, властивості та технологія отримання

Слабкий розчин аміаку це водний розчин газоподібного аміаку (NH₃), який у воді частково іонізується, утворюючи амонійні (NH₄⁺) та гідроксид-іони (OH⁻). Такий розчин часто називають аміачною водою, аміаком у воді або амоніаком гідроксидом (NH₄OH)[6]. Розчини, що використовуються в промисловості, можуть мати різний вміст аміаку, але технічні слабкі розчини містять зазвичай до ~18–25 % мас. NH₃. Слабкий розчин аміаку це прозора рідина з характерним різким запахом аміаку та є слабкою основою, оскільки дисоціація NH₃ в воді не повна – переважно молекула аміаку залишається недисоційованою. Слабкі розчини аміаку широко використовуються як сировина для виробництва мінеральних добрив (зокрема аміачної селітри), а також у хімічних процесах для нейтралізації кислот, регулювання pH технологічних середовищ та інших синтезів.

Аміачна селітра – це неорганічна сіль із хімічною формулою NH₄NO₃, яка утворюється внаслідок взаємодії аміаку з азотною кислотою. У промисловості її також називають нітрат амонію, амонійна селітра або азотнокислий амоній. Аміачна селітра це кристалічна біла речовина; добре розчиняється у воді; має високу гігроскопічність і щільність близько 1,7–1,8 г/см³. Вміст азоту близько 34 % (частково у формі амонію NH₄⁺ і частково у формі нітрату NO₃⁻), що робить її ефективним добривом для рослин. Зазвичай використовується як азотне добриво у сільському господарстві; крім того, використовується у виробництві вибухових речовин та в інших галузях. Аміачна селітра включає в себе азот у двох формах: нітратну, яка швидко доступна рослинам та амонійну, яка повільніше включається в живлення.

Промислове виробництво аміачної селітри базується на реакції нейтралізації між газоподібним аміаком (NH₃) та розведеною азотною кислотою (HNO₃):

NH3​+HNO3​→NH4​NO3​

Ця реакція є екзотермічною, тобто супроводжується виділенням тепла. Отриманий розчин солі може мати різну концентрацію залежно від технологічних умов[7]. Основні етапи технологічного процесу:

Нейтралізація: аміак реагує з азотною кислотою в реакторі або нейтралізаторі для утворення розчину нітрату амонію;

Концентрація: отриманий розчин концентрують для зменшення вмісту води; ця стадія важлива для подальшого формування твердих продуктів;

Упарювання: висока концентрація продукту необхідна для кристалізації або грануляції;

Кристалізація та сушіння: концентрований розчин охолоджують для осадження кристалів, які потім сушать і пакують.

У рідкій формі концентрований розчин (може використовуватися як добриво у вигляді розчину або основи для подальшої переробки) зазвичай досягає концентрацій близько 80–95 %.

Слабкий розчин аміаку виступає сировинним компонентом для технологічної стадії нейтралізації у виробництві аміачної селітри. Забезпечення стабільної концентрації NH₃ у водному середовищі дозволяє ефективно проводити реакцію з азотною кислотою, що в свою чергу визначає якість та вихід кінцевого продукту.

Рисунок 1.1 – Функціональна схема виробництва аміачної селітри

Для забезпечення високої ефективності та безпеки процесу необхідно враховувати температуру та тиск реакції, тому що умови нейтралізації регулюються для запобігання небажаним побічним реакціям і забезпечення повного взаємодії реагентів та саме концентрацію реагентів, адже оптимальні концентрації аміаку та азотної кислоти дозволяють мінімізувати викиди та утворення надмірного тепла. Також необхідно враховувати, що вода аміаку та утворений продукт є агресивними середовищами, тому необхідно ретельно вибирати матеріали для обладнання та систем контролю для запобігання корозії та аварій. Більш детальна схема процесу виробництва аміачної селітри показана на рисунку 1.1.

На рисунку 1.2 приведений приклад технологічної схеми виробництва аміачної селітри, де цифровими позначками відмічені[8]:

1 – апарат ВТН; 2 − донейтралізатор; 3 − комбінований випарний апарат; 4 – грануляційна башта; 5 − скрубери для промивання повітря; 6 − збирач; 7 − насос; 8 − охолоджувач із псевдозрідженим шаром гранул; 9 − барабан для покриття гранул ПАР

Рисунок 1.2 – Приклад технологічної схеми виробництва аміачної селітри

Розглядаючи технологічну схему на рисунку 1.2 , маємо наступний процес отримання аміачної селітри. Розчин азотної кислоти з масовою концентрацією 58–60 % перед подачею в зону реакції попередньо підігрівають до температури 70–80 °С. З метою зменшення гігроскопічності кінцевого продукту до кислоти вводять незначні добавки фосфатної та сульфатної кислот. Підігрітий розчин азотної кислоти разом із газоподібним аміаком, нагрітим до температури 120–130 °С, подають у високотемпературний нейтралізатор (ВТН).

У нижній частині нейтралізатора відбувається реакція нейтралізації за температури 155–170 °С з утворенням розчину амонійної селітри концентрацією 91–92 %. Парогазова суміш, що утворюється в процесі реакції, у верхній частині апарата очищується від краплин амонійної селітри та парів азотної кислоти на чотирьох ковпачкових тарілках. При цьому дві нижні тарілки зрошуються 20 %-м розчином амонійної селітри, а на верхню тарілку подається конденсат сокової пари.

Для запобігання втратам аміаку з соковою парою розчин, що відводиться з апарата ВТН, містить невеликий надлишок азотної кислоти (2–5 г/л). З цією метою він спрямовується до донейтралізатора, де надлишкова кислота нейтралізується дозованою кількістю аміаку. Після завершення донейтралізації розчин надходить до випарного апарата, в якому здійснюється випарювання вологи у трубному пучку, що обігрівається водяною парою тиском 1,4 МПа.

Подальше доупарювання розчину відбувається у нижній частині випарного апарата на барботажних тарілках за рахунок пропускання повітря, нагрітого до температури близько 180 °С. У результаті отримують розплав амонійної селітри з масовою часткою основної речовини 99,7–99,8 %, який подається до грануляційної башти висотою 50–55 м.

У верхній частині грануляційної башти встановлені гранулятори, що забезпечують диспергування розплаву у вигляді окремих крапель. У нижню частину башти подається охолоджувальне повітря, під дією якого краплі тверднуть і перетворюються на гранули. Температура гранул на виході з башти становить 90–110 °С, тому вони надходять на подальше охолодження в апарат із псевдозрідженим шаром, під решітку якого подається повітря. У результаті інтенсивного теплообміну гранули охолоджуються до температури близько 40 °С, а відпрацьоване повітря спрямовується у нижню частину грануляційної башти.

Охолоджені гранули амонійної селітри подаються в обертовий барабан, де здійснюється нанесення поверхнево-активних речовин з метою покращення фізико-механічних властивостей продукту. Після цього готову аміачну селітру фасують у паперові або поліетиленові мішки.

Типова система контролю рівня у сховищі складається з таких основних елементів:

Вимірювальний рівень – датчики рівня, температури та тиску.

Рівень керування – програмований логічний контролер (ПЛК), який виконує алгоритм регулювання та формує сигнали для виконавчих механізмів.

Виконавчі механізми – насоси, запірно-регулююча арматура, приводи.

Диспетчерський рівень (SCADA-система) – забезпечує візуалізацію параметрів, архівацію даних, формування звітів і сигналізацію аварійних ситуацій.

На вітчизняних підприємствах для побудови таких систем застосовуються контролери типу Siemens S7-1200, Овен ПЛК110, Schneider Electric Modicon та інші. SCADA-рівень зазвичай реалізується на базі програм WinCC, MasterSCADA, Ignition або Wonderware InTouch, які підтримують сучасні протоколи обміну – Modbus, OPC UA, Profibus, Ethernet/IP тощо.

Попри високий рівень розвитку засобів автоматизації, більшість існуючих систем на підприємствах мають низку обмежень:

недостатня інтегрованість із загальнозаводською інформаційною мережею;

відсутність гнучкої системи діагностики і прогнозування несправностей;

застосування застарілих засобів індикації без можливості дистанційного моніторингу;

обмежена функціональність у частині збору, обробки та архівації технологічних даних.

Крім того, у багатьох системах відсутній динамічний режим оптимізації керування, коли алгоритм може автоматично адаптуватися до зміни вхідних параметрів (температури, в’язкості, тиску). Це призводить до перевитрат енергії, збільшення похибки регулювання та підвищення ризику аварійних ситуацій.

Світові тенденції у сфері автоматизації хімічних виробництв спрямовані на впровадження комп’ютерно-інтегрованих систем управління (КІСУ), які поєднують функції вимірювання, керування, діагностики та оптимізації. Такі системи базуються на концепції Industry 4.0, передбачають обмін даними у реальному часі між рівнями виробництва та корпоративними системами управління.

Використання КІСУ дозволяє:

підвищити точність і швидкодію регулювання технологічних параметрів;

забезпечити дистанційний контроль стану обладнання;

впровадити системи аналітики та прогнозування;

інтегрувати результати контролю з базами даних управління виробництвом (MES, ERP).

Проведений аналіз показує, що процеси контролю рівня у сховищах слабкого розчину аміаку мають вирішальне значення для стабільності та безпеки виробництва аміачної селітри. Існуючі системи автоматизації виконують базові функції, проте потребують модернізації з урахуванням сучасних вимог до енергоефективності, надійності та інтеграції з інформаційними системами підприємства.

Отже, подальший розвиток систем керування рівнем має бути спрямований на створення комп’ютерно-інтегрованої системи контролю та керування, здатної забезпечити високий рівень автоматизації, моніторинг у реальному часі, адаптивне керування та аналітичну підтримку рішень на всіх рівнях управління виробництвом.

1.5 Нормативні вимоги та стандарти до систем керування рівнем у хімічних виробництвах

У сучасних умовах розвитку хімічної промисловості автоматизовані системи керування технологічними процесами повинні проєктуватися, впроваджуватися та експлуатуватися відповідно до міжнародних та національних стандартів і нормативних документів, що визначають вимоги до їх безпеки, надійності та сумісності з промисловими реаліями.

Одним із ключових аспектів критичного значення для автоматизованих систем контролю рівня є функціональна безпека, яка визначається здатністю системи забезпечувати безпечний стан обладнання або процесу у разі відмови технічних засобів або небезпечних умов експлуатації. Базовим документом у цій галузі є міжнародний стандарт IEC 61508, що встановлює методи і вимоги щодо розробки, впровадження та підтримки систем електричного/електронного/програмного обладнання, пов’язаних із забезпеченням безпеки, незалежно від галузі застосування. Стандарт заснований на принципі життєвого циклу функціональної безпеки, що охоплює всі етапи від аналізу загроз до верифікації та виведення з експлуатації систем безпеки – Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-related Systems[9].

У контексті процесної промисловості, до якої належить хімічне виробництво, значною мірою застосовується галузевий стандарт IEC 61511, який являє собою галузеву імплементацію вимог IEC 61508 для забезпечення функціональної безпеки систем автоматичного контролю та захисту. Цей стандарт має назву Functional Safety – Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector і визначає вимоги до проєктування, реалізації, експлуатації та технічного обслуговування інструментованих систем безпеки(SIS), включно із засобами вимірювання, контролю і виконавчими механізмами. Стандарт охоплює весь життєвий цикл системи безпеки – від початкового аналізу ризиків до виведення з експлуатації, і включає в себе визначення рівнів цілісності безпеки (Safety Integrity Level – SIL), які застосовуються для класифікації вимог до надійності захисних функцій.

Важливою складовою нормативної бази є також ISA-84 (ANSI/ISA-61511) – серія документів, схожих на IEC 61511, що забезпечують детальні настанови щодо впровадження і підтримки систем функціональної безпеки в технологічних установках. Дані стандарти визначають життя циклу SIS, включно з плануванням, оцінкою ризику, детальним проєктуванням, тестуванням та обслуговуванням, що дозволяє систематизувати і формалізувати підходи до автоматизації критично важливих функцій керування, таких як контроль рівня[10].

Крім функціональної безпеки, важливо застосовувати стандарти, що визначають вимоги до інструментації, вимірювання і керування промисловими процесами. Прикладами таких нормативних документів є:

IEC 61131 – серія стандартів, що регламентують програмовані контролери та їх функціональні мови, що широко застосовуються в автоматизованих системах керування;

IEC 61069 – стандарти для оцінювання придатності систем вимірювання і керування;

ISA 5.1 – стандарт для символів і позначень засобів вимірювання та контролю, що використовується для уніфікації схем у проєктній документації;

стандарти щодо сигналів та сигналізації (наприклад ISA-18), що визначають процедури обробки тривожних ситуацій, формування аварійних повідомлень та їх обробки оператором.

Дотримання вищезазначених стандартів є частиною мінімальних вимог до сучасних автоматизованих систем у хімічних виробництвах, що спрямовані на:

забезпечення безпеки персоналу та навколишнього середовища;

зменшення ризику аварійних ситуацій;

підвищення надійності та доступності технологічних процесів;

організацію єдиного підходу до проєктування, експлуатації та підтримки систем автоматизації.

1.6 Особливості автоматизації об’єктів з агресивними та токсичними середовищами (аміак)

Хімічні виробництва, до яких належить виробництво аміачної селітри, характеризуються наявністю агресивних, корозійно активних та токсичних середовищ, які створюють специфічні вимоги до технічних засобів автоматизації та засобів вимірювання. Одним із таких середовищ є слабкий розчин аміаку, що має високу лужність, здатний викликати корозію металевих конструкцій і негативно впливати на матеріали, що не мають достатнього хімічного захисту. Автоматизовані системи, що інтегруються в технологічний процес такого середовища, повинні відповідати підвищеним вимогам як до надійності, так і до експлуатаційної довговічності.

Один із ключових аспектів, який слід враховувати при проєктуванні систем автоматизації у середовищі аміаку, це вибір засобів вимірювання рівня, що повинні мати високу корозійну стійкість та захист від впливу агресивної середовища. Наприклад, безконтактні рівнеміри – такі як радарні або ультразвукові – мають перевагу над контактними датчиками, оскільки вони не контактують безпосередньо з робочою рідиною і можуть працювати у важких експлуатаційних умовах без швидкого зношування. Проте навіть безконтактні методи вимірювання повинні мати сертифікацію на стійкість до парів аміаку, оскільки агресивні пари можуть впливати на властивості вимірювальних сигналів і зменшувати точність вимірювань.

Автоматизація об’єктів з агресивними середовищами передбачає також застосування устаткування зі спеціальними захисними характеристиками. Це включає:

вибухозахищене виконання датчиків, клапанів та контролерів з відповідною сертифікацією (наприклад ATEX);

використання матеріалів з підвищеною корозійною стійкістю (нержавіюча сталь, спеціальні сплави, фторопластові ущільнення);

герметичне виконання вузлів автоматизації для запобігання проникненню агресивних парів у внутрішні електронні компоненти.

Особлива увага повинна приділятися вибору засобів передачі та обробки сигналів. У середовищах з підвищеною агресивністю може виникати необхідність застосування цифрових протоколів з додатковими механізмами самодіагностики та корекції помилок, що дозволяє мінімізувати вплив перешкод, корозії контактів і можливих коротких замикань у сигнальних лініях. Також в таких умовах рекомендується максимально скоротити кількість електричних сполучень у полі та використовувати розумні передавачі з інтегрованою самодіагностикою.

Ще одним важливим фактором є облік екологічної безпеки та вимог законодавства щодо токсичних речовин. Аміак є небезпечною для здоров’я людини речовиною, яка при перевищенні допустимих концентрацій у повітрі може викликати серйозні отруєння або опіки дихальних шляхів. Тому автоматизовані системи мають бути інтегровані з аварійними системами газового контролю, що передбачають:

безперервний моніторинг концентрації аміаку в атмосфері робочих зон;

автоматичне активування аварійної вентиляції або блокування подачі реагентів при перевищенні небезпечних порогів;

інтеграцію з системами пожежогасіння та евакуації.

З урахуванням цих факторів автоматизація об’єктів з агресивними середовищами, зокрема сховищ слабкого розчину аміаку, є складним інженерним завданням, яке вимагає комплексного підходу до вибору обладнання, відповідності технічних рішень чинним стандартам функціональної безпеки та застосування передових технологій захисту і діагностики.

2. Аналіз автоматизованих систем контролю та керування технологічними процесами керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри

2.1 Оцінка існуючих підходів та обґрунтування використання комплексної системи

Сучасні підприємства хімічної промисловості дедалі частіше впроваджують автоматизовані системи, що охоплюють не лише базовий контроль, але й комплексне керування технологічними процесами. Для регулювання рівня рідини зазвичай використовуються програмовані логічні контролери (ПЛК) разом із SCADA-системами, які забезпечують збір даних, її обробку та диспетчерське візуальне відображення. SCADA-системи дозволяють операторам реалізовувати моніторинг технологічних параметрів у реальному часі, відображати мнемосхеми та вести архів подій.

У типових проєктах автоматизації використовуються контролери, призначені для індустріального застосування. З їхньою допомогою здійснюється логіка включення/виключення насосів, клапанів, а також передача сигналів стану у зверхній рівень системи[11].

Однак існуючі рішення часто не повністю відповідають вимогам сучасного хімічного виробництва, зокрема в умовах агресивних середовищ, таких як резервуари з аміаком або його слабким розчином. Наприклад, дослідження в рамках теми комп’ютерно-інтегрованих систем управління аміачного виробництва показують, що класичні архітектури не враховують специфіку гідродинаміки, корозійних процесів або запізнень, притаманних об’єктам такого масштабу. Крім того, існує тенденція до переходу на «розумні» системи управління в рамках концепції Індустрії 4.0: це означає, що системи повинні бути не лише автоматичними, а й адаптивними – здатними пристосовувати свої алгоритми до змін виробничих умов або несправностей[12].

Отже, існує обґрунтована потреба в розробці спеціалізованої комп’ютерно-інтегрованої системи управління(КІСУ), яка б поєднувала ПЛК-рівень(для реалізації локальної логіки регулювання, наприклад, PID, аварійні interlocks), SCADA-рівень(для моніторингу, сигналізації, архівації, трендів), інтеграцію з аналітикою та оптимізацією (наприклад, через модулі прогнозування або адаптивного регулювання) та захист і діагностику(щоб якнайбільше зменшити ризик аварії або переповнення резервуарів).

2.2 Формулювання завдань науково-дослідної роботи

На підставі проведеного аналізу можна виділити такі ключові завдання для магістерської роботи:

Дослідження апаратної платформи: обрати оптимальні ПЛК-модулі та сенсори, які підходять для агресивного середовища (наприклад, датчики рівня, стійкі до корозії), а також визначити протоколи зв’язку (Modbus, OPC UA, PROFIBUS тощо). При виборі контролера важливо враховувати досвід впровадження ПЛК на хімічних підприємствах – сучасні рішення відзначаються надійністю та гнучкістю.

Проєктування операторського інтерфейсу на SCADA: розробити мнемосхеми, вікна аварій, тренди та архіви. SCADA має підтримувати збір даних, їхнє графічне відображення та історичний аналіз.

Розробка алгоритмів керування: запропонувати та реалізувати регулювання рівня (наприклад, PID-регулятор), а також аварійну логіку (переповнення, падіння рівня). Необхідно врахувати запізнення, динаміку системи та можливість адаптації до змін.

Побудова моделі КІСУ: створити логічну (архітектурну) модель системи: рівні сенсорів, контролерів, виконавчих механізмів, а також їх взаємодію з SCADA.

Реалізація програмного забезпечення: написати програму для ПЛК, конфігурувати SCADA-систему (використовуючи вибраний пакет), налагодити обмін даних.

Оцінка ефективності: провести моделювання або експерименти, щоб порівняти поведінку системи з і без впровадження нової КІСУ. Оцінити такі показники, як стабілізація рівня, швидкість реакції, число аварій, енергоспоживання.

Аналіз безпеки та надійності: розробити заходи для захисту системи управління (наприклад, бар’єри безпеки, резервні сенсори, діагностика), враховуючи кібербезпеку SCADA-рівня.

Обґрунтування вибору підходів

Комп’ютерно-інтегрований підхід (КІСУ) виправданий, оскільки традиційні системи не враховують необхідність аналітики, прогнозування та адаптації до змінних умов. ПЛК + SCADA обрані як базові компоненти системи, оскільки вони добре відпрацьовані в галузі, мають стандартизовані протоколи, велику підтримку виробників та можливість масштабування. Адаптивне регулювання дасть змогу знижувати надлишкові витрати та підвищити надійність, особливо при зміні технологічних режимів.

Аналіз типових аварійних ситуацій у системах керування рівнем та методи їх запобігання

Системи автоматизованого керування рівнем рідини в технологічних ємностях хімічних виробництв належать до класу потенційно небезпечних об’єктів, оскільки відхилення рівня від допустимих меж може призвести до порушення технологічного режиму, аварійних викидів, пошкодження обладнання та створення загрози для персоналу і навколишнього середовища. Особливо це актуально для сховищ слабкого розчину аміаку, де поєднуються фактори токсичності, корозійної активності та наявності летких компонентів.

Аналіз типових аварійних ситуацій у системах керування рівнем дозволяє виявити найбільш критичні режими роботи та сформувати комплекс технічних і організаційних заходів для їх запобігання.

Однією з найбільш поширених аварійних ситуацій є переповнення ємності, яке виникає у разі надмірного припливу рідини або зменшення витрати відбору. Причинами переповнення можуть бути:

відмова або заклинювання регулюючого клапана у відкритому положенні;

некоректна робота регулятора рівня;

відмова датчика рівня або спотворення його показів;

помилка оператора під час ручного керування;

раптове зменшення витрати на виході внаслідок засмічення трубопроводу.

Переповнення ємності зі слабким розчином аміаку може призвести до розливу агресивної рідини, утворення парів аміаку та загрози для персоналу. Для запобігання такому сценарію застосовуються багаторівневі системи захисту, зокрема:

аварійна сигналізація за високим рівнем (High та High-High);

незалежні резервні датчики рівня;

автоматичне блокування подачі при досягненні аварійного рівня;

фізичні переливні пристрої або аварійні резервуари.

Протилежною за характером аварією є надмірне зниження рівня або повне спорожнення ємності. Така ситуація може бути небезпечною через виникнення сухого ходу насосів, порушення безперервності технологічного процесу, підсмоктування повітря та утворення вибухонебезпечних сумішей.

Причинами спорожнення ємності можуть бути:

збільшення витрати відбору;

відмова системи подачі;

помилкові сигнали регулятора;

витоки або порушення герметичності.

Для запобігання даному типу аварій передбачаються:

сигналізація за мінімальним рівнем (Low та Low-Low);

автоматичне вимкнення насосів при досягненні критично низького рівня;

обмеження мінімальної витрати відбору;

інтеграція логіки між контурами рівня та захисту насосного обладнання.

Відмова або деградація характеристик датчика рівня є однією з найбільш небезпечних прихованих аварій, оскільки система може продовжувати працювати, спираючись на некоректні дані. У випадку аміачних розчинів це особливо критично через можливий вплив температури, корозії та парової фази.

Основними методами зниження ризику є:

використання дубльованих датчиків;

періодична калібровка;

контроль достовірності сигналів;

діагностика відмов за допомогою SCADA-систем.

Таким чином, аналіз аварійних ситуацій показує, що безпечна експлуатація систем керування рівнем можлива лише за умови поєднання автоматичного регулювання, незалежних захисних функцій і чітко визначених алгоритмів аварійного реагування.

3. Розробка та аналіз математичних моделей процесу керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку

3.1 Постановка задачі та припущення

Одним із ключових етапів проєктування автоматизованої системи керування рівнем є побудова адекватної математичної моделі об’єкта керування. Така модель повинна відображати основні фізичні закономірності процесу накопичення та відбору рідини у сховищі, а також дозволяти досліджувати динамічні властивості об’єкта з метою подальшого синтезу та налаштування регулятора.

Метою даного розділу є отримання математичної (динамічної) моделі процесу зміни рівня рідини h(t) у вертикальному резервуарі, призначеному для зберігання слабкого розчину аміаку, що використовується у виробництві аміачної селітри. Отримана модель застосовується для аналізу впливу керуючих дій і збурень, визначення типу об’єкта керування та вибору структури регулятора. Процес керування рівнем у сховищі слабкого розчину аміаку належить до класу безперервних технологічних процесів з вираженою інерційністю. Основним керованим параметром є рівень рідини в резервуарі, який визначається співвідношенням між припливом та відтоком розчину.

Для спрощення математичного опису та зосередження уваги на ключових динамічних властивостях процесу прийнято такі припущення:

Резервуар вважається вертикальною ємністю з постійною площею поперечного перерізу A(м²) , що відповідає циліндричній або близькій до неї формі. Такий підхід є обґрунтованим для більшості промислових сховищ. Можлива залежність площі перерізу від рівня у подальшому аналізі не враховується. (можна врахувати зміну площі при незвичайній геометрії, але далі для простоти A=const).

Рідина в резервуарі вважається однорідною за складом і температурою по всій висоті. Вертикальна стратифікація концентрації аміаку та температурні градієнти не враховуються, що відповідає умовам відносно повільної зміни рівня та наявності природного або примусового перемішування.

Об’ємні потоки на вході Qin(t) (м³/с) і потік на виході Qout(t) (м³/с) розглядаються як безперервні функції часу. Один з потоків (як правило, приплив) є керованою величиною, а інший може виступати як збурення, пов’язане з технологічним відбором розчину.

Динаміка регулюючого клапана або насосного агрегату враховується у вигляді аперіодичної ланки першого порядку з можливим транспортним запізненням. Така апроксимація є достатньо точною для задач аналізу та синтезу систем керування рівнем.

Датчик рівня має власну динаміку вимірювання (першого порядку) і похибки (шум, дрейф) – враховується у вигляді додаткового передавального елементу та шумової компоненти.

Не враховуються нелінійні ефекти, пов’язані з піноутворенням, кавітацією, хвильовими процесами та різкими гідравлічними ударами. У разі необхідності підвищення точності модель може бути розширена шляхом введення додаткових нелінійних складових.

З урахуванням наведених припущень формується математична модель, яка адекватно описує динаміку рівня в робочому діапазоні експлуатації сховища слабкого розчину аміаку.

3.2 Опис і припущення

Розглянемо сховище слабкого розчину аміаку як об’єкт керування з одним керованим параметром – рівнем рідини h(t)h(t)h(t). Основними змінними, що характеризують процес, є:

рівень рідини h(t)[м];

об’ємні витрати Qin(t) та Qout(t) [м³/с];

площа поперечного перерізу резервуару A [м2].

Процес зміни рівня визначається балансом маси (об’єму) рідини в резервуарі. У загальному випадку швидкість зміни об’єму рідини дорівнює різниці між припливом і відтоком. Оскільки об’єм рідини пов’язаний з рівнем співвідношенням V = Ah, рівняння масового балансу набуває вигляду:

де:

A – площа поперечного перерізу резервуару [м2];

Qin(t) – припливний об'ємний потік [м3/с];

Qout(t) – вихідний об'ємний потік [м3/с].

Це рівняння є базовим для побудови динамічної моделі рівня. Фізичний зміст цього співвідношення полягає в тому, що при сталих витратах швидкість зміни рівня прямо пропорційна надлишковій витраті та обернено пропорційна площі резервуару. Таким чином, великі за об’ємом ємності характеризуються повільною динамікою рівня, що обумовлює їх значну інерційність як об’єктів керування.

Вихідний потік Qout​ може реалізовуватися різними способами, що суттєво впливає на динамічні властивості об’єкта:

Гравітаційний відтік через отвір або трубопровід, коли витрата залежить від гідростатичного тиску, а отже – від рівня.

Лінійна аппроксимація витоку, яка застосовується поблизу робочої точки та еквівалентна наявності гідравлічного опору.

Активно керований відбір, коли витрата відтоку задається насосом або клапаном незалежно від рівня в резервуарі.

Кожен із цих випадків призводить до різного типу математичної моделі та, відповідно, до різних вимог щодо структури регулятора.

Чим більша A, тим повільніше змінюється рівень при даній надлишковій витраті. Коефіцієнти в моделі Qout(h) визначають, як швидко резервуар стає порожнім при заданому h. Наприклад, у лінійній аппроксимації kh (або 1/R) має одиниці [м2/с] і дає швидкість витоку на одиницю рівня.

3.3 Моделі вихідного потоку і їх лініаризація

У випадку гравітаційного витоку через отвір або трубопровід вихідна витрата описується рівнянням:

де Cd​ – коефіцієнт витікання;

Ao​ – площа отвору;

g – прискорення вільного падіння.

Дана залежність є нелінійною, що ускладнює аналітичний синтез регуляторів. Тому для аналізу системи керування зазвичай застосовується лінеаризація поблизу робочої точки h0.

Для малих відхилень Δh = h - h0 нелінійну залежність можна подати у вигляді розкладу в ряд Тейлора:

Звідси коефіцієнт лінеаризованої моделі:

Отриманий коефіцієнт kh​ характеризує чутливість витоку до зміни рівня в робочій точці.

У багатьох інженерних задачах зручно використовувати лінійну модель вихідного потоку:

де R – гідравлічний опір (с/м2), або зручніше працювати з провідністю kh = 1/R (м2/с).

Така модель є спрощеною, але достатньо точною у вузькому робочому діапазоні рівнів і широко застосовується при аналізі систем автоматичного регулювання.

чПідставляючи лінійну модель витоку в рівняння балансу та переходячи до прирощень, отримаємо:

Перетворення Лапласа:

Застосувавши перетворення Лапласа, одержимо передавальну функцію каналу «витрата припливу – рівень»:

Якщо Qout залежить від h (лінійно , або нелінійно лінеаризується з ), то W(s) = першого порядку з кінцевим DC-підсиленням (тобто статичний об'єкт; має скінчену постійну стійку при постійному припливі). Якщо ж відтік не залежить від рівня (наприклад, Qout задається як фіксований/керований зовнішнім джерелом незалежно від h), то і для каналу отримаємо

що є ідеальним інтегратором – астатичний об'єкт (DC-підсилення нескінченне; постійний приплив призводить до незавершеного обмеження рівня без зовнішнього зворотного зв'язку).

3.4 Статичні та динамічні характеристики; вплив збурень

Для побудови математичної моделі процесу керування рівнем у сховищі слабкого розчину аміаку доцільно виконати аналіз її статичних та динамічних характеристик. Такий аналіз дозволяє оцінити поведінку об’єкта в усталеному режимі, швидкість реакції на керуючі дії, а також чутливість до зовнішніх збурень, що є критично важливим для вибору структури та параметрів регулятора.

Статичні властивості об’єкта визначаються його передатною функцією при нульовій частоті, тобто при s → 0. Для лінеаризованої моделі об’єкта керування рівнем з урахуванням залежності вихідного потоку від рівня передатна функція має вигляд:

Статична передатна чутливість(DC-коефіцієнт) визначається як:

При сталому додатковому припливі ΔQin​ рівень зросте на Δh = ΔQin/kh​ у втановившомуся стані (для моделі з лінійним відтоком). Якщо об'єкт э інтегратором, (kh=0), то KDC → ∞. Тобто постійний приплив призводить до лінійного в часі приросту рівня (без гасіння) – отже потрібен контролер з інтегруючою дією для забезпечення стійкого заданого рівня.

Динамічні характеристики:

Часова постійна τ = A/kh ​ визначає швидкість перехідного процесу при одиничному кроковому вході (без контролера): чим більший A або менший kh – тим повільніший перехід.

Полюс системи s = −kh/А. Якщо kh>0, полюс в лівій півплощині → внутрішньо стабільний.

Збурення на припливі можна представити як додатковий вхід Qd(t) в додаток до Qin​: Qinфактич = Qinкоманд + Qd​. Тоді вплив збурення на рівень має ту саму передатну функцію, що й від команди:

Якщо збурення це зміна характеристики насоса (зміна коефіцієнта напору → змінює фактичний Qin​ при тому ж командному управлінні), його можна моделювати як збурення на вході. Для клапана/відтоку, зміну параметрів (наприклад, часткове засмічення або зміна kh​) можна розглядати як параметричну невизначеність, яка змінює часову постійну τ і статичну чутливість KDC​. З цього можна зробити висновок, що якщо присутній зворотній зв'язок по рівню, то наявність інтегруючого терміну в контролері (PI) забезпечить усунення постійної помилки при сталому збуренні припливу.

3.5 Методи автоматизації технологічних процесів із застосуванням регуляторів П, ПІ та ПІД типу

Системи автоматизованого керування рівнем рідини займають важливе місце у структурі автоматизації технологічних процесів хімічної промисловості. Особливе значення вони мають у виробництві аміачної селітри, де стабільність режимів зберігання та подачі слабкого розчину аміаку безпосередньо впливає на безпеку виробництва, якість готової продукції та надійність роботи обладнання.

Сховище слабкого розчину аміаку являє собою ємнісний об’єкт з накопичувальними властивостями, у якому рівень рідини визначається балансом між припливом та відбором. Відповідно, керування рівнем у такому об’єкті реалізується шляхом зміни витрати на вході або на виході ємності за допомогою регулюючих клапанів чи насосів. Даний процес характеризується значною інерційністю, інтегральним характером та наявністю постійних і змінних збурень.

Автоматизація технологічних процесів у хімічній промисловості спрямована на забезпечення стабільності параметрів, підвищення безпеки експлуатації обладнання та зниження впливу людського фактора на якість керування. Одним з найпоширеніших методів автоматичного керування є використання замкнених контурів регулювання з класичними регуляторами пропорційного, пропорційно-інтегрального та пропорційно-інтегрально-диференційного типів.

Вибір структури регулятора визначається динамічними властивостями об’єкта керування, характером збурень та вимогами до точності підтримання регульованого параметра.

Пропорційний регулятор формує керуючий вплив, пропорційний миттєвому значенню відхилення регульованої величини від заданого значення. Закон регулювання має вигляд

де e(t) – сигнал розузгодження, Kp – коефіцієнт пропорційного підсилення.

Перевагою пропорційного регулювання є простота реалізації та висока швидкодія. Такі регулятори широко застосовуються в системах, де допустиме наявність сталого відхилення регульованої величини або де об’єкт має значну саморегулюючу здатність.

Водночас, недоліком пропорційного регулятора є неможливість повної компенсації сталих збурень, що призводить до залишкової похибки в усталеному режимі. У процесах керування рівнем, зокрема у сховищах рідин, це може спричиняти систематичне відхилення рівня від заданого значення.

Пропорційно-інтегральне регулювання широко застосовується для усунення сталого відхилення. У таких системах керуючий сигнал формується як сума пропорційної та інтегральної складових:

де Ki​ – коефіцієнт інтегрування.

Інтегральна складова забезпечує накопичення похибки в часі та автоматичну компенсацію постійних збурень. Завдяки цьому у сталому режимі регульований параметр досягає заданого значення без залишкової похибки.

Пропорційно-інтегральні регулятори є найбільш поширеними в задачах регулювання рівня, тиску та витрати у технологічних системах. Вони поєднують достатню швидкодію з високою точністю регулювання та забезпечують стійку роботу за наявності зовнішніх збурень.

Разом з тим, використання інтегральної складової може призводити до явища накопичення інтегральної складової при обмеженнях на керуючий вплив. Для запобігання цьому в сучасних системах застосовуються методи протидії насиченню виконавчих механізмів.

Пропорційно-інтегрально-диференційні регулятори доповнюють закон керування диференційною складовою, яка враховує швидкість зміни похибки:

Де Kd – коефіцієнт диференціювання.

Диференційна складова виконує функцію прогнозування поведінки системи та дозволяє зменшити перерегулювання, підвищити демпфування та покращити перехідні процеси. ПІД-регулятори застосовуються в системах з високими вимогами до швидкодії та точності, зокрема у процесах керування температурою та тиском.

Разом з тим, у задачах регулювання рівня диференційна складова використовується обмежено, оскільки рівень є інтегральною величиною, а сигнал його похідної може бути зашумленим. Тому у більшості практичних реалізацій застосовуються ПІ-регулятори, які забезпечують оптимальне співвідношення між стабільністю та точністю.

3.6 Модель з PI-регулятором: характеристичне рівняння і умови стійкості

Нехай лінійний об'єкт

PI-регулятор у класичному записі:

де Kc – пропорційний коефіцієнт, Ti – інтегральний час.

Відкритий контур: L(s) = C(s) P(s). Характеристичне рівняння замкнутої системи:

Помножено на :

Розкрито і впорядковано по степенях 𝑠:

Поділено на Ti щоб отримати звичайну форму:

Отримано характеристичний поліном другого порядку a2​s2 + a1​s + a0 ​= 0, де a2​= A, a1​ = kh ​+ Kc​, a0​ = . За умовою стійкості Рута-Гурвіца для другого порядку, усі коефіцієнти повинні бути додатними. При фізичних позитивних A > 0, kh ​≥ 0, вибір Kс > 0 та Ti > 0 гарантує позитивні коефіцієнти та внутрішню стійкість замкнутої системи, за умови що модель першого порядку адекватна.

3.7 Аналіз якості перехідних процесів у замкненій системі керування рівнем

Оцінювання якості перехідних процесів є необхідним етапом аналізу та синтезу систем автоматичного керування рівнем. Якість перехідного процесу визначає здатність системи швидко та точно реагувати на зміну завдання або зовнішні збурення без виникнення небезпечних режимів.

Для систем керування рівнем у ємностях характерні повільні динамічні процеси, обумовлені накопичувальними властивостями об’єкта. Основними показниками якості перехідних процесів є:

час регулювання;

перерегулювання;

усталена похибка;

коливальність;

аперіодичність перехідного процесу.

У разі ступінчастої зміни заданого рівня замкнена система повинна забезпечити плавне досягнення нового значення без значного перерегулювання. Для сховищ слабкого розчину аміаку надмірне перерегулювання є небажаним, оскільки може призводити до наближення до аварійних меж.

Налаштування ПІ-регулятора дозволяє досягти компромісу між швидкодією та стійкістю. Збільшення пропорційного коефіцієнта зменшує час регулювання, але може викликати коливання. Інтегральна складова усуває сталу похибку, однак надмірно мала інтегральна стала може спричинити повільний процес.

Якість компенсації збурень оцінюється за здатністю системи відновлювати заданий рівень після раптової зміни витрати відбору або припливу. У замкненій системі з ПІ-регулятором постійні збурення компенсуються повністю, що забезпечує нульову усталену похибку.

Час відновлення рівня після збурення залежить від параметрів регулятора та інерційності об’єкта. Для реальних систем важливим є не мінімальний час відновлення, а відсутність коливань і стабільність процесу.

Для забезпечення безпечної експлуатації система керування рівнем повинна мати достатній запас стійкості. Це означає, що навіть при зміні параметрів об’єкта або появі затримок система не повинна переходити в коливальний або нестійкий режим.

Таким чином, аналіз якості перехідних процесів дозволяє обґрунтувати вибір структури регулятора та параметрів налаштування з урахуванням технологічних обмежень і вимог безпеки.

3.8 Вплив нелінійностей та обмежень виконавчих механізмів на роботу системи

Реальні системи автоматичного керування істотно відрізняються від ідеалізованих математичних моделей через наявність нелінійностей і фізичних обмежень виконавчих механізмів. У системах керування рівнем такими елементами є регулюючі клапани, насоси та приводи.

Характеристика «витрата – положення» регулюючого клапана, як правило, є нелінійною. У залежності від типу клапана (лінійний, рівновідсотковий) однакові зміни керуючого сигналу можуть призводити до різних змін витрати.\

Це означає, що лінеаризована модель об’єкта є коректною лише в околі робочої точки. При значних відхиленнях рівня або керуючого сигналу ефективні параметри об’єкта змінюються, що може впливати на стійкість та якість регулювання.

Обмеження максимальної та мінімальної витрати є неминучими фізичними обмеженнями. У разі насичення виконавчого механізму регулятор втрачає можливість впливати на об’єкт, що може призвести до накопичення інтегральної складової (інтегрального перенасичення).

Для запобігання цьому в сучасних системах використовуються методи протидії насиченню, зокрема алгоритми зворотного розрахунку, що обмежують інтегральну складову при досягненні меж керування.

Електроприводи клапанів і насосів мають власну динаміку, яка часто моделюється ланкою першого порядку з запізненням. Наявність затримок зменшує запас стійкості системи та потребує обережного налаштування регулятора. У задачах керування рівнем, де об’єкт сам по собі є інерційним, сумарна динаміка виконавчих механізмів може істотно впливати на якість регулювання.

З цього робимо висновок, що урахування нелінійностей та обмежень є необхідною умовою адекватного моделювання і практичної реалізації систем автоматичного керування рівнем у сховищах слабкого розчину аміаку.

4. Теоретичні дослідження математичних моделей процесу керування рівня у сховищі слабкого розчину аміаку виробництва аміачної селітри.

4.1 Архітектура КІСУ ТП

Комп’ютерно-інтегрована система управління технологічним процесом (КІСУ ТП) сховища слабкого розчину аміаку являє собою багаторівневу ієрархічну систему, призначену для безперервного контролю, регулювання та інформаційного забезпечення процесу зберігання рідкого продукту. Архітектура КІСУ ТП побудована за класичним принципом поділу на польовий, середній та верхній рівні, що забезпечує гнучкість, масштабованість і підвищену надійність функціонування системи.

Польовий рівень є базовим рівнем КІСУ ТП та безпосередньо взаємодіє з технологічним об’єктом – ємністю зберігання слабкого розчину аміаку. Основним завданням цього рівня є перетворення фізичних параметрів технологічного процесу у електричні сигнали, а також реалізація керуючих впливів на виконавчі механізми.

До складу польового рівня входять первинні вимірювальні перетворювачі, зокрема датчики рівня, витрати, тиску та температури. Для вимірювання рівня рідини застосовуються ультразвукові або гідростатичні датчики, вибір яких зумовлений умовами експлуатації, агресивністю середовища та вимогами до точності.	Витратоміри використовуються для контролю подачі та відбору розчину і можуть реалізовуватися на основі коріолісового або швидкісного принципу вимірювання. Додатково встановлюються датчики тиску на вході та виході насосного обладнання, що дозволяє контролювати його робочий стан та своєчасно виявляти відхилення.

З метою підвищення безпеки експлуатації у складі польового рівня передбачені температурні датчики опору типу Pt100, датчики наявності рідини, датчики витоку та розливу, а також газоаналізатори для виявлення витоків аміаку у повітря робочої зони. Для контролю доступу та забезпечення промислової безпеки можуть застосовуватися датчики положення дверей і огороджень.

Виконавчі механізми польового рівня представлені регулюючими електроприводними клапанами, які забезпечують плавну зміну витрати розчину, насосними агрегатами з частотним або прямим пуском, а також запобіжними та ізоляційними клапанами. Керування виконавчими пристроями здійснюється відповідно до сигналів, сформованих системою керування на середньому рівні.

Для зменшення довжини сигнальних ліній та підвищення завадостійкості використовуються локальні блоки введення-виведення, розміщені безпосередньо поблизу ємності. Такі блоки забезпечують первинну обробку сигналів та передачу їх на контролер.

Обмін інформацією на польовому рівні здійснюється переважно за допомогою аналогових сигналів стандарту 4–20 мА, що використовуються для передавання інформації про рівень, тиск і температуру. У разі застосування датчиків з підтримкою цифрового протоколу HART забезпечується можливість отримання додаткових діагностичних параметрів. Дискретні сигнали використовуються для обробки станів кінцевих вимикачів, аварійних датчиків та сигналів готовності обладнання.

Середній рівень КІСУ ТП призначений для реалізації алгоритмів автоматичного керування, логічної обробки сигналів та координації роботи обладнання. Основу цього рівня становлять програмовані логічні контролери, які можуть працювати у конфігурації з резервуванням для підвищення надійності системи.

Контролери виконують функції збору та обробки сигналів з польового рівня, реалізують алгоритми пропорційно-інтегрального або пропорційно-інтегрально-диференціального регулювання рівня, а також логіку перемикання між автоматичним та ручним режимами керування. У складі програмного забезпечення контролерів реалізується контроль стану насосних агрегатів, аналіз струму електродвигунів, контроль наявності витрати та формування сигналів аварійного захисту.

Для зв’язку з розподіленими модулями введення-виведення та приводами використовуються промислові мережі реального часу, зокрема Profinet або EtherNet/IP. Для обладнання, що не підтримує сучасні мережеві протоколи, застосовується послідовний або мережевий протокол Modbus. Аналогові сигнали обробляються через відповідні модулі введення з підтримкою стандарту 4–20 мА.

Середній рівень є ключовою ланкою між фізичним процесом та інформаційними системами верхнього рівня, забезпечуючи стабільність і передбачуваність керування рівнем у ємності.

Верхній рівень КІСУ ТП призначений для візуалізації технологічного процесу, централізованого керування, архівації даних та підтримки прийняття рішень оперативним персоналом. Основним компонентом цього рівня є система диспетчерського керування та збору даних, яка отримує інформацію від контролерів через стандартні промислові протоколи.

На сервері системи реалізується архівація технологічних параметрів, подій та аварійних повідомлень у базі даних часових рядів. Це дозволяє виконувати аналіз роботи системи у динаміці, формувати звіти та оцінювати ефективність регулювання рівня. Автоматизовані робочі місця операторів забезпечують відображення мнемосхем, трендів зміни рівня, журналів аварій та інструментів керування технологічним процесом.

Важливою складовою верхнього рівня є система розмежування доступу, яка визначає права операторів, інженерів та адміністративного персоналу. Це дозволяє підвищити інформаційну безпеку та запобігти несанкціонованому втручанню у роботу системи.

За необхідності верхній рівень КІСУ ТП може бути інтегрований із системами управління виробництвом та підприємством, що забезпечує комплексний підхід до автоматизації технологічних і управлінських процесів.

4.2 Основна мнемосхема

У ході виконання роботи була розроблена основна мнемосхема автоматизованої системи керування рівнем у сховищі слабкого розчину аміаку. Мнемосхема призначена для наочного відображення технологічного процесу накопичення, зберігання та відбору рідкого продукту, а також для забезпечення оперативного персоналу засобами візуального контролю, керування та аварійної сигналізації. Вона є ключовим елементом операторського інтерфейсу комп’ютерно-інтегрованої системи керування технологічним процесом.

Мнемосхема відображає основні складові технологічного об’єкта, матеріальні, інформаційні та керуючі зв’язки між ними, а також допустимі, граничні та аварійні стани процесу. Її структура відповідає реальній технологічній схемі сховища і забезпечує інтуїтивне сприйняття інформації оператором.

Центральним елементом мнемосхеми є сховище слабкого розчину аміаку, яке зображене у вигляді вертикальної ємності. Усередині ємності умовно відображено поточний рівень рідини, що характеризується змінною h. Візуальне подання рівня виконано у вигляді заповнення ємності, що дозволяє оператору в режимі реального часу оцінювати ступінь заповнення резервуара та характер зміни рівня у динаміці.

Для зручності зображення, на мнемосхемі подача розчину показана зверху, але в робочому середовищі, лінія подачі розчину підведена до нижньої частини ємності. Такий спосіб введення рідини відповідає технологічним вимогам щодо мінімізації турбулентності на поверхні і зменшення можливості утворення електростатичного заряду, що важливо для підтримання стабільного вимірювання та високої надійності контролю. Лінія відбору розчину показана у нижній або бічній частині сховища – відповідно до реальної схеми руху матеріальних потоків.

Контроль рівня в ємності здійснюється за допомогою датчика рівня (LT), який безперервно вимірює фактичний рівень розчину h та формує стандартизований вимірювальний сигнал для подальшої обробки. Датчик рівня є первинним перетворювачем і забезпечує зворотний зв’язок у замкненому контурі автоматичного регулювання, який реалізується на рівні контролерів.

Регулятор рівня, виконаний за пропорційно-інтегральним законом, приймає сигнал фактичного рівня та порівнює його із заданим значенням. На основі величини розузгодження формується керуючий сигнал, який впливає на регулюючий клапан LV. Клапан змінює свою пропускну здатність відповідно до сигналів регулятора, тим самим регулюючи величину припливу розчину до ємності.

На мнемосхемі клапан зображено з інформаційним параметром «Положення клапана, %», що дозволяє оцінювати стан виконавчого механізму. Для забезпечення можливості керування режимами роботи системи передбачено органи керування – кнопки «Пуск» та «Стоп», що дозволяють оператору ініціювати автоматичний режим або вимкнути систему у разі потреби.

Зліва від ємності нанесено граничні значення рівня – максимальний та мінімальний допустимі. У разі досягнення цих меж датчик генерує сигнал аварійної сигналізації, який обробляється відповідними блоками мнемосхеми. Така логіка дозволяє своєчасно виявляти небезпечні режими і виконувати захисні дії.

Розроблена мнемосхема наочно показує роботу технологічного об’єкта та забезпечує оператору повну інформацію для контролю параметрів процесу, реагування на відхилення та керування режимами роботи в умовах сучасного виробництва.

Рисунок 4.1 – Мнемосхема регулювання

4.3 Опис структурної схеми системи автоматичного керування рівнем

Представлена система автоматичного керування рівнем слабкого розчину аміаку у сховищі побудована за принципом замкненого контуру зі зворотним зв’язком за регульованою величиною. Основною метою системи є підтримання рівня рідини в ємності на заданому значенні незалежно від змін режиму роботи технологічного обладнання та дії зовнішніх збурень. Структурна схема системи представлена на рисунку 4.1 та має наступні елементи: датчик рівня, порівняльний елемент, регулятор рівня, регулюючий клапан, об’єкт керування (ємність).

Вимірювання рівня рідини в ємності здійснюється датчиком рівня, який перетворює фізичну величину висоту стовпа рідини у електричний сигнал, пропорційний значенню рівня. У моделі датчик рівня представлений як безінерційний елемент, що забезпечує миттєву передачу інформації про поточний рівень до системи керування.

Сигнал з датчика рівня подається на вхід порівняльного елемента, де він порівнюється із заданим значенням рівня. Отримана різниця між заданим та виміряним значенням є сигналом неузгодженості, який використовується для формування керуючого впливу.

Виконавчим механізмом у системі автоматичного керування є регулюючий клапан, встановлений на лінії подачі розчину в ємність. Клапан змінює площу прохідного перерізу трубопроводу залежно від величини керуючого сигналу, що надходить з регулятора рівня.

У математичній моделі регулюючий клапан представлений нелінійним елементом з обмеженням керуючого сигналу, яке відповідає фізичним межам відкриття клапана. Таким чином, забезпечується відповідність моделі реальним умовам експлуатації технологічного обладнання.

Об’єктом керування є вертикальна ємність, у якій накопичується слабкий розчин аміаку. Динаміка зміни рівня в ємності описується рівнянням матеріального балансу, яке враховує різницю між витратою припливу та витратою відтоку.

Вихідна витрата з ємності залежить від рівня рідини та гідравлічного опору трубопроводу, що моделюється лінійною залежністю між рівнем і витратою. Крім того, у модель введено зовнішнє збурення у вигляді додаткової витрати, що імітує зміну технологічного навантаження або аварійний відбір розчину.

Різниця між витратою припливу та витратою відтоку перетворюється у зміну рівня за допомогою інтегруючої ланки, яка враховує геометричні параметри ємності. Ця ланка описує накопичувальний характер процесу та є основною причиною інерційності об’єкта керування.

Рисунок 4.1 – Структурна схема системи автоматичного керування рівнем

Представлені на рисунку 4.2 результати моделювання показали, що система автоматичного керування забезпечує плавний вихід рівня на задане значення без коливань та статичної похибки. При дії зовнішнього збурення спостерігається тимчасове відхилення рівня, після чого регулятор автоматично компенсує вплив збурення та відновлює заданий режим роботи.

Рисунок 4.2 – Результат моделювання

Таким чином, розроблена система автоматичного керування рівнем слабкого розчину аміаку є стійкою, надійною та здатною забезпечувати необхідну якість регулювання в умовах змінного технологічного навантаження.

4.4 Режими роботи системи автоматичного керування рівнем

Система автоматичного керування рівнем у сховищі слабкого розчину аміаку повинна забезпечувати стабільну, безпечну та гнучку експлуатацію технологічного об’єкта в різних виробничих ситуаціях. Для цього у складі системи передбачено декілька режимів роботи, які відрізняються ступенем автоматизації, роллю оператора та алгоритмами формування керуючих впливів. Реалізація режимів роботи здійснюється на рівні програмного забезпечення контролера та операторського інтерфейсу і відповідає вимогам промислової автоматизації хімічних виробництв.

Основним і штатним режимом експлуатації є автоматичний режим керування рівнем. У цьому режимі система працює у замкненому контурі автоматичного регулювання з використанням зворотного зв’язку за рівнем рідини. Значення фактичного рівня безперервно вимірюється датчиком рівня та передається до регулятора, де порівнюється із заданим значенням.

Регулятор рівня, реалізований за пропорційно-інтегральним законом, формує керуючий сигнал на регулюючий клапан подачі слабкого розчину аміаку. Метою автоматичного режиму є підтримання рівня в межах заданого діапазону з мінімальною похибкою та забезпечення компенсації зовнішніх збурень, зокрема змін витрати відбору або коливань параметрів подачі. Даний режим використовується під час сталого технологічного процесу та є пріоритетним з точки зору енергоефективності й безпеки.

Режим ручного керування передбачає безпосереднє керування положенням регулюючого клапана оператором через операторський інтерфейс без участі автоматичного регулятора. У цьому режимі зворотний зв’язок за рівнем не використовується для формування керуючого сигналу, а система фактично переходить у розімкнений стан.

Ручний режим застосовується під час пуску та зупинки технологічного обладнання, при налагодженні або технічному обслуговуванні системи, у разі відмови або некоректної роботи автоматичного регулятора, під час проведення аварійних або регламентних операцій.

Для запобігання небезпечним діям оператора у ручному режимі зберігається робота системи аварійної сигналізації за рівнем, а також програмні обмеження на допустимі межі відкриття регулюючого клапана. Це дозволяє знизити ризик переповнення або спорожнення ємності навіть за відсутності автоматичного регулювання.

Пусковий режим призначений для переведення системи з неактивного стану в робочий автоматичний режим. На цьому етапі відбувається ініціалізація контролера, перевірка працездатності датчиків, виконавчих механізмів та каналів зв’язку, а також встановлення початкових значень параметрів. Після завершення перевірок і підтвердження готовності системи оператором здійснюється плавний перехід до автоматичного режиму регулювання.

Режим зупинки використовується для коректного та безпечного виведення системи з експлуатації. У цьому режимі автоматичне регулювання вимикається, а виконавчі механізми переводяться у заздалегідь визначений безпечний стан. Під час зупинки подача слабкого розчину аміаку обмежується або повністю припиняється, фіксується поточний рівень у ємності, активними залишаються функції контролю та сигналізації. Такий підхід дозволяє уникнути різких змін рівня та зменшує ймовірність виникнення аварійних ситуацій під час планових або аварійних зупинок.

Аварійний режим активується автоматично у разі досягнення критичних значень рівня або виявлення відмов елементів системи. У цьому режимі пріоритет надається функціям безпеки, а не точності регулювання. Основними подіями для переходу в аварійний режим є: перевищення максимально допустимого рівня, досягнення мінімального допустимого рівня, відмова датчика рівня або втрати сигналу, відмова виконавчого механізму.

У аварійному режимі система може автоматично обмежувати або блокувати подачу розчину, формувати світлову та звукову сигналізацію, а також передавати повідомлення оператору та на верхній рівень керування.

Перемикання між режимами роботи здійснюється за чітко визначеними алгоритмами з урахуванням поточного стану системи. Перехід із ручного режиму в автоматичний, як правило, виконується за умови відсутності значного розузгодження між фактичним та заданим рівнем, що дозволяє уникнути різких керуючих впливів.

Таким чином, реалізація різних режимів роботи забезпечує гнучкість, надійність і безпеку системи автоматичного керування рівнем у сховищі слабкого розчину аміаку та відповідає вимогам сучасних комп’ютерно-інтегрованих систем керування технологічними процесами.

4.5 Надійність, відмовостійкість та діагностика системи автоматичного керування рівнем

Надійність і відмовостійкість є ключовими показниками якості автоматизованих систем керування технологічними процесами, особливо в умовах хімічних виробництв, де порушення режиму роботи може призвести до серйозних техногенних наслідків. Система автоматичного керування рівнем у сховищі слабкого розчину аміаку належить до класу відповідальних систем, оскільки контроль рівня безпосередньо пов’язаний із забезпеченням безпеки експлуатації, запобіганням розливам токсичних речовин та стабільністю технологічного процесу.

Під надійністю системи автоматичного керування розуміють її здатність зберігати працездатний стан та виконувати задані функції впродовж встановленого часу за визначених умов експлуатації. Надійність включає в себе такі складові, як безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність та збережуваність.

Відмовостійкість системи характеризує її здатність продовжувати виконання основних функцій або переходити у безпечний стан у разі виникнення відмов окремих елементів. Для систем керування рівнем це означає забезпечення контролю або обмеження подачі розчину навіть у разі часткової втрати працездатності вимірювальних або виконавчих пристроїв.

Основними джерелами відмов у системі автоматичного керування рівнем є первинні вимірювальні перетворювачі, канали передачі сигналів, програмовані логічні контролери та виконавчі механізми. У випадку сховищ слабкого розчину аміаку додатковими факторами ризику є корозійна активність середовища, наявність парів аміаку, температурні коливання та підвищена вологість.

Відмови датчиків рівня можуть проявлятися у вигляді обриву або короткого замикання сигнального кола, дрейфу нуля, залипання показів або повної втрати сигналу. Відмови виконавчих механізмів зазвичай пов’язані з механічним зношуванням, засміченням, порушенням герметичності або відмовами електроприводів.

Одним із основних методів підвищення надійності системи керування рівнем є резервування критично важливих елементів. Зокрема, у відповідальних контурах регулювання рівня доцільним є застосування дубльованих датчиків, які працюють за схемами логічного вибору. Це дозволяє зберегти працездатність системи у разі відмови одного з каналів вимірювання та зменшити ймовірність помилкових керуючих дій.

Для підвищення надійності керування можуть використовуватися резервовані контролери з гарячим резервом, що забезпечує безперервність роботи у разі апаратної або програмної відмови основного контролера. Крім того, важливим елементом є резервування джерел живлення, включно з використанням безперебійних джерел живлення для підтримки роботи системи в аварійних ситуаціях.

Функції діагностики є невід’ємною складовою сучасних комп’ютерно-інтегрованих систем керування. Діагностика вимірювальних каналів дозволяє виявляти відмови або деградацію характеристик датчиків рівня ще до того, як вони призведуть до порушення технологічного процесу.

Типовими методами діагностики є контроль діапазону сигналу, перевірка швидкості зміни вимірюваної величини, аналіз узгодженості показів дубльованих датчиків та виявлення тривалого незмінного значення сигналу. У разі виявлення аномалій система формує відповідні попереджувальні або аварійні повідомлення, що передаються оператору через інтерфейс SCADA.

Діагностика виконавчих механізмів, зокрема регулюючих клапанів, полягає у контролі відповідності між керуючим сигналом та фактичним положенням виконавчого органу. Відхилення між заданим і фактичним положенням клапана можуть свідчити про механічні несправності, засмічення або зношування приводу.

Крім того, важливим аспектом є контроль часу спрацювання виконавчих механізмів. Збільшення часу відкриття або закриття клапана може бути ознакою деградації приводу і потребує проведення технічного обслуговування.

У разі критичних відмов система керування рівнем повинна забезпечувати автоматичний перехід у безпечний стан. Для сховища слабкого розчину аміаку таким станом, як правило, є обмеження або припинення подачі розчину та фіксація поточного рівня в межах допустимого діапазону.

Принцип безпечної відмови передбачає, що навіть у разі повної втрати керування система не повинна створювати додаткової небезпеки. Це досягається завдяки поєднанню апаратних засобів захисту, програмної логіки та незалежних систем аварійної сигналізації.

SCADA-система відіграє важливу роль у підвищенні надійності та відмовостійкості системи керування рівнем. Вона забезпечує централізований збір інформації про стан обладнання, архівування технологічних параметрів, ведення журналів подій і аварій, а також візуалізацію діагностичної інформації для оператора. Наявність історичних даних дозволяє аналізувати тенденції зміни параметрів, виявляти приховані дефекти та планувати профілактичне технічне обслуговування. Таким чином, діагностика та моніторинг стану обладнання стають важливим інструментом забезпечення довготривалої та безпечної експлуатації системи автоматичного керування рівнем.

ВИСНОВКИ

У дипломній роботі виконано комплексне дослідження та розроблення автоматизованої системи керування рівнем слабкого розчину аміаку у сховищі хімічного виробництва, що є важливою складовою технологічного процесу отримання аміачної селітри. Стабільність рівня у накопичувальних ємностях безпосередньо впливає на безпеку експлуатації обладнання, безперервність виробництва та дотримання екологічних і промислових вимог, що зумовлює актуальність обраної теми.

В першому розділі проведено аналіз особливостей технологічного процесу зберігання слабкого розчину аміаку та сучасних підходів до автоматизації систем керування рівнем у хімічній промисловості. Розглянуто класифікацію систем керування рівнем, типи датчиків та виконавчих механізмів, а також нормативні вимоги та стандарти, що регламентують проєктування й експлуатацію автоматизованих систем в умовах агресивних і токсичних середовищ. Встановлено, що застосування комп’ютерно-інтегрованих систем керування з безконтактними засобами вимірювання та замкненими контурами регулювання є найбільш доцільним для розглянутого об’єкта.

У другому розділі виконано структурний аналіз об’єкта керування, визначено основні технологічні параметри та їх взаємозв’язки. Проаналізовано типові аварійні ситуації, пов’язані з переповненням або спорожненням ємності, відмовами датчиків і виконавчих механізмів, а також вплив людського фактора. Запропоновано комплекс організаційних і технічних заходів щодо запобігання аваріям, зокрема застосування багаторівневого захисту, аварійної сигналізації та резервування критичних елементів системи.

В третьому розділі розроблено математичну модель процесу керування рівнем на основі рівняння матеріального балансу. Проаналізовано різні моделі вихідного потоку, виконано їх лінеаризацію поблизу робочої точки та визначено статичні й динамічні характеристики об’єкта. Досліджено вплив збурень на припливі та параметричних невизначеностей на поведінку системи. Показано, що об’єкт керування має інтегральні властивості та значну інерційність, що обґрунтовує доцільність застосування пропорційно-інтегрального регулятора.

На основі отриманої моделі виконано синтез системи керування з ПІ-регулятором, отримано характеристичне рівняння замкненої системи та встановлено умови її стійкості. Проведено аналіз якості перехідних процесів, зокрема швидкодії, перерегулювання та часу встановлення. Додатково досліджено вплив нелінійностей і обмежень виконавчих механізмів, таких як насичення клапанів і насосів, на динамічні властивості системи та обґрунтовано необхідність застосування методів протидії накопиченню інтегральної складової.

В четвертому розділі розроблено архітектуру комп’ютерно-інтегрованої системи керування технологічним процесом із виділенням польового, контролерного та верхнього рівнів. Описано структуру інформаційних потоків, протоколи обміну даними та засоби візуалізації. Розроблено основну мнемосхему операторського інтерфейсу, яка забезпечує наочне відображення стану об’єкта, параметрів процесу, режимів роботи та аварійних ситуацій. Розглянуто режими роботи системи, зокрема автоматичний, ручний, налагоджувальний і аварійний, а також заходи щодо підвищення надійності, відмовостійкості та діагностики системи керування рівнем.

У результаті виконання роботи досягнуто поставленої мети – розроблено та обґрунтовано структуру автоматизованої системи керування рівнем слабкого розчину аміаку, що відповідає сучасним вимогам промислової автоматизації, безпеки та надійності. Запропоновані математичні моделі, алгоритми керування та архітектурні рішення можуть бути використані під час проєктування, модернізації або експлуатації систем автоматизації сховищ у хімічній промисловості.

Джерела

1.Emerson. Level Measurement for Aqueous Ammonia. – Emerson Process Management [Електронний ресурс]. URL: https://www.emerson.com/en-us/automation/measurement-instrumentation/common-applications/level-measurement-of-aqueous-ammonia

2. Endress+Hauser. Continuous level measurement in ammonia storage tanks. – MESC Case Studies [Електронний ресурс]. URL: https://www.mesc.endress.com/en/endress-hauser-group/Case-studies-application-notes/GWR-AMMONIA-TANKS-LEVEL

3. Л.П. Ларичева, М.Д. Волошин, О.П. Луценко «КОНТРОЛЬ ТА АВТОМАТИЧНЕ РЕГУЛЮВАННЯ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ»

4. SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition [Електронний ресурс]. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/SCADA

5. ICON Process Controls. Complete Guide to Radar Liquid Level Sensors and Transmitters in Industrial and Chemical Applications [Електронний ресурс]. URL: https://iconprocon.com/blog-post/complete-guide-to-radar-liquid-level-sensors-and-transmitters-in-industrial-and-chemical-applications/

6. Стаття «Аміачні добрива» [Електронний ресурс]. URL: https://superagronom.com/slovnik-agronoma/amiachni-dobriva-id22773

7. Стаття «Ammonium nitrate production – technology and industrial processes» [Електронний ресурс]. URL: https://fertechinform.org/knowledgebase/ammonium-nitrate-production-technology-and-industrial-processes/

8. М.А.Поджарський, О.С.Парілов Методичні вказівки до лабораторних та практичних занять за темою «Виробництво амонійної селітри»

9. Стаття «Стандарт IEC 61508» [Електронний ресурс]. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/IEC_61508

10 ISA-84 Series of Standards [Електронний ресурс]. URL: https://www.isa.org/standards-and-publications/isa-standards/isa-84-standards?utm_source=chatgpt.com

11. Стаття «Що таке SCADA – система». [Електронний ресурс]. URL: https://asu-tp.shop/ua/a491259-chto-takoe-scada.html

12. Дисертація «Комп'ютерно-інтегрована технологія вторинної конденсації виробництва аміаку в умовах невизначеності». [Електронний ресурс]. URL: https://repository.kpi.kharkov.ua/items/af8d8ff7-d49b-4736-84b1-e4ceb6d9374e