При исследовательской и проектной разработке процессов, изготовлении оборудования, строительно-монтажных работах и пуске установок, при ремонте оборудования, а также при эксплуатации установок выявляются недоделки, дефекты, нарушения действующих норм и регламентов, или возникают иные причины, приводящие к нарушению нормальной, безопасной работы химического предприятия, которые влекут неплановую остановку предприятия и иногда аварии (взрывы, пожары, локальные возгорания и т. п.), несчастные случаи и большой материальный ущерб. Большая часть аварий (около 90 %) связана с образованием и взрывом взрывоопасных смесей как в закрытой аппаратуре и трубопроводах, так и в рабочих помещениях и на открытых установках.
Иногда аварии являются следствием неудачной и ненадежной конструкции оборудования (компрессоры, насосы, центрифуги, сушилки, циклоны, бункеры, реакторы и др.) или ненадежной их оснастки средствами противо-аварийных блокировок. Проектировщики допускают ошибки и в выборе не по назначению типового стандартного оборудования. Взрыво- и пожароопасные производства не оснащены еще достаточным количеством надежных средств контроля процессов, автоматическими противоаварийными блокировками и системами по предупреждению образования взрывоопасных смесей. Отсутствие или ненадежность сигнализаторов взрывоопасных газов и средств противоаварийной защиты от загазованности в ряде случаев приводит к взрывам газов в рабочих помещениях и на открытых установках. Малоэффективные методы контроля качества материала и выявления дефектов аппаратов и трубопроводов при эксплуатации и ремонте, отсутствие совершенных средств неразрущающих методов контроля и диагностики во время работы оборудования приводят иногда к авариям и пожарам.
Например, причинами ситуаций пожарной опасности могут быть пожары, вспышки и возгорания - 59 %; аварийная загазованность - 18; взрывы - 15 %. Аварийные ситуации, вызывающие пожары, взрывы и аварийную загазованность, создают использование неисправного оборудования - 60 %; нарушения технологического режима - 26; пуск неисправной технологической установки - 7; нарушения правил ремонтных работ - 5; несоблюдение правил остановки технологической установки - 2 %. Пожары на открытых установках более тяжелые, чем в производственных зданиях. Аварии различных элементов и оборудования открытых технологических установок: трубопроводы (соединения, арматура и др.) - 31 %; насосные и компрессорные станции для горючих жидкостей и газов - 19; емкостные аппараты (электро-дегидраторы и др.) - 15; трубчатые печи - 12; колонны (ректификационные, вакуумные и др.) - 11; промканализация (лотки, колодцы, очистные сооружения и т. п.) - 8; резервуарные парки для хранения нефтепродуктов -4%. Источники взрывов, возгораний и пожаров: нагретая до высокой температуры поверхность отдельных узлов оборудования - 37 %; открытое пламя в трубчатых печах - 23; электрическая искра от неисправного оборудования - 9; открытый огонь газоэлектросварочных работ - 9; повышение температуры трущихся узлов (подшипники, сальники и т. п.) - 8; самовоспламенение горючих веществ - 7 %. Причины аварийных состояний, приводящих к взрывам и пожарам: выход из строя подшипников, сальников, прокладок - 30 %; нарушение режима эксплуатации оборудования - 17; некачественный монтаж оборудования - 14; коррозия оборудования - 12; прогар печных труб - 9; переполнение сооружений промканализации - 8 %. Причины крутых аварий (взрывы, пожары и т. п.): дефекты (отказы) оборудования - 27 %; ошибки обслуживающего персонала - 18; нарушения технологического режима - 18; ошибки в разработке - 12; утечки взрывоопасных газов - 12 %.
Зарубежные данные о причинах аварий, ущерб которых превышает 100 тыс. долл. США [58]: при взрывах - неконтролируемые нарушения процесса в химических реакторах - 37 %; неконтролируемые повышения давления и температуры - 20; возгорания оборудования - 18; дефекты (отказы) оборудования под давлением - И; газовые утечки - 10; ошибки оператора - 4 %; при пожарах - утечки горючих газов и жидкостей - 18 %; перегрев узлов оборудования - 15; утечки в трубопроводах и соединениях - 11; дефекты электрооборудования - 11, сварочные работы - 11, другое - 34 %.
Интервал времени между появлением аварийной ситуации и самой аварией (пожар, взрыв) обычно от 3 до 5 мин. В основном этого времени достаточно для того, чтобы автоматизированная защита с использованием ЭВМ смогла бы перевести систему из аварийной ситуации в безопасную.
Из перечисленных многообразных опасностей химических производств, дефектов (отказов) техники, причин аварий следует важность совершенствования разработки и проектирования техники, модернизации эксплуатируемых предприятий, внедрения передовых методов технического обслуживания техники во время ее работы (на марше, а не только после внеплановых или во время плановых остановок). Повышение культуры технического производства должно обязательно подкрепляться внедрением новых систем организации диагностического обслуживания для выявления реального технического состояния оборудования, применением автоматизированных систем постоянного накопления (мониторинг) статистического материала по отказам основного оборудования и анализа его ремонта, для расчета реальной надежности работы оборудования и оставшегося ресурса безопасной работы дорогостоящей и опасной техники длительной эксплуатации, а также для анализа качества работы обслуживающего персонала по своевременному выявлению и устранению отказов (дефектов) системы.
Отказ, или дефект, представляет собой любое несоответствие свойств (характеристик) системы значениям, предопределенным заранее, требуемым или ожидаемым. Обнаружение отказа состоит в установлении факта существования отказа в реальности. Поиск или локализация отказа состоит в определении (нахождении) с определенной точностью места отказа (элемента, узла, органа, аппарата и т. п.) в технической системе. Например, изменение температуры за разрешенные пределы, повышение давления сверх предельного значения, перегрев подшипников, течи в сальниках, повышение вибрации трубопроводов, отдельных элементов, деталей и узлов в динамических машинах и т. п. - это все отказы. Но не все отказы всегда приводят к поломке, разрушению техники, к ее остановке и тем более к появлению аварийной ситуации. Другие же отказы (разрыв трубопроводов и аппаратов под давлением, внезапная утечка взрывоопасного газа в сторону открытого пламени и др.) неминуемо приводят к взрыву, аварии или пожару.
Часто при эксплуатации технической системы имеется возможность полного восстановления ее свойств. В одних случаях этого достигают путем ее замены, в других - путем технического обслуживания или ремонта. В процессе эксплуатации происходит ухудшение свойств системы, что приводит к снижению ее показателей эффективности и возрастанию возможности отказа. После отказа система подлежит ремонту. Однако предупредительный ремонт может быть произведен до наступления отказа. Как заранее предусмотреть появление отказа, как принять решение о моменте проведения ремонта (здесь термин «ремонт» предполагает остановку системы, т. е. так называемый остановочный ремонт) - вот одна из основных задач технического обслуживания. Но современные технологические установки останавливают только на плановый ремонт (текущий, средний и капитальный) согласно нормативным межремонтным срокам работы установки. Как же тогда во время эксплуатации установки (т. е. на марше) выявить возможные приближающиеся опасные отказы?
Такие современные методы и средства имеются. В зависимости от сложности и стоимости объекта они также бывают разной степени автоматизации, периодичности контроля, диагностирования и надежности защиты техники. Применяют системы обеспечения эксплуатационной надежности и безопасности (объекта, машины, оборудования), т.е. контроля и регулирования - системы мониторинга (СМ). СМ с применением микропроцессоров и микроконтроллеров специальных (МКС) могут обслуживать, например, блок ректификационных колонн или реакторов с теплообменниками, трубчатыми печами или блок крупного компрессора и др. МКС в автоматическом режиме получает от датчиков сигналы для контроля до 1000 и более параметров (температура и давление процесса, расход, уровень жидкости в аппарате, температура стенок реактора и его узлов и др.) какого-либо сложного аппарата (реактор, ректификационная колонна) и связанных с ним других аппаратов. МКС сравнивает контролируемые параметры с заданными интервалами их возможного неопасного изменения и подает сигналы на автоматические системы регулирования технологического режима этой группы аппаратов (объекта).
Разные МКС различных объектов могут объединяться в многоуровневый мультимикропроцессорный комплекс контроля, диагностики и управления техническим состоянием сложной системы. Микро-ЭВМ этого комплекса может работать в двух режимах управления: в режиме прямого управления и автоматического воздействия на исполнительные устройства для управления объектов и в режиме советчика, когда микро-ЭВМ обрабатывает информацию, поступившую от объекта контроля и диагностики, и рассчитывает вспомогательную рекомендательную информацию для передачи на дисплей обслуживающего персонала (оператора, диспетчера). В промышленности широко применяются приборы (анализаторы, вискозиметры, плотномеры, оптические приборы, хроматографы, уровнемеры, расходомеры и др.) и автоматические средства контроля, управления, сигнализации, защиты и блокировки, а также контроля и регулирования технологических процессов с использованием микро-ЭВМ.
Небывалые успехи средств вычислительной техники за последние 30 лет позволили массово оснащать датчиками, микропроцессорами и микро-ЭВМ сложные машины и аппараты (их функциональные блоки, группы связанных между собой аппаратов) для их контроля и управления и для повышения надежности и безопасности их эксплуатации. Крупный аппарат или сложная машина должны оборудоваться микропроцессорной системой уже на стадии изготовления. Изготовитель должен передавать на завод комплектные поставки не только одного аппарата (машины), но и функционального блока аппаратов (оборудования) совместно с интегрированной локальной микропроцессорной системой. Это потребовало разработки нового поколения дешевых и надежных датчиков бинарных (режим «включено-выключено») и аналоговых (режим непрерывного измерения параметра при мониторинге). Общая тенденция «интеллектуализации» датчиков направлена на конструктивное объединение их с микропроцессорными устройствами для предварительной обработки информации еще до передачи ее в управляющую или контролирующую ЭВМ.
Современные датчики намного превосходят своих «старших собратьев» по надежности, имея значительно меньшую стоимость, но развитие микропроцессоров настолько стремительно, что датчики поневоле отстают от них. Поэтому исследование и разработка новых датчиков являются целью концентрации усилий во многих странах: кто держит под своим контролем разработку датчиков, тот сейчас определяет и уровень технической системы с интегрированными (встроенными) микропроцессорами.
Таким образом, в последние годы сокращается использование автоматических средств контроля, диагностики и управления сложными системами на основе больших ЭВМ. Вместо этого стали давно широко применяться локальные системы распределенного регулирования и управления с несколькими мини-ЭВМ, контролирующими отдельные участки предприятия или группы процессов (группы аппаратов и оборудования). Этому виду регулирования присущи повышенная надежность и безопасность при случающихся крупных неисправностях в общей системе регулирования (так называемая живучесть).
Общая тенденция в применении технологического оборудования с локальной встроенной микропроцессорной техникой состоит в совмещении последней с необходимыми контрольно-измерительными приборами (осциллографами, вольтметрами, расходомерами, уровнемерами, сигнал-генераторами, регистраторами и др.). Микропроцессоры преобразуют аналоговые сигналы в цифровые, что позволяет осуществлять визуальную индексацию данных.
Применяются аналоговые и цифровые устройства передачи информации. Среди трех типов регулирующих устройств (электронных, электромеханических и пневматических) преобладают электронные средства. Распределенные цифровые регулирующие системы на основе средств программирования обладают гибкостью, быстроперестраиваемостью программирующих устройств, повышенной точностью регулирования, что, в свою очередь, обеспечивает повышение качества и количества готовой продукции и безопасности ведения технологического процесса. Обычно такие системы эксплуатируются с привлечением оператора, осуществляющего дополнительный контроль за безопасностью с помощью приборов.
Микропроцессоры и мини-ЭВМ обеспечивают не только слежение (регистрацию табличную и графическую, построение тренда параметра (-в), визуализацию и хранение), но и звуковую и световую сигнализацию опасных (предельных) показателей процесса, а также в некоторых важных случаях выдают оператору рекомендации (советы) по изменению некоторых параметров процесса или по немедленной остановке оборудования. Индивидуальные локальные регулирующие системы обычно дают возможность проверять работу датчиков, проводить автоматический поиск неисправностей, т. е. самодиагностику, что важно не только в период пуска установки, но и в период ее нормальной работы.
Повышение надежности регулирования обеспечивается за счет введения распределенной обработки информации, которая (обработка) становится возможной с применением мини-ЭВМ. Система регулирования в этом случае составляется из нескольких подсистем, которые обеспечивают независимую работу и регулирование местных (локальных) процессов, но находятся под наблюдением главной ЭВМ. Помимо быстрой и простой перекомпоновки и регулировки в соответствии с изменяющимися требованиями распределенные системы обеспечивают повышение быстродействия и более эффективное использование главной ЭВМ.
Микрокомпьютеры решают задачи программного регулирования, а также производят предварительную обработку информации и приводят ее к виду, удобному для ввода в главную ЭВМ. Например, для 300 сигналов две распределенные системы бывают в 4 раза дешевле по стоимости (к примеру, 0,5 вместо 2,2 млн долл. США) в сравнении с одной единой системой регулирования. Комбинированная система управления технологическими процессами допускает подключение, например, до 512 контуров регулирования, при этом стоимость единой системы регулирования с большой головной ЭВМ установки (цеха и завода) на 7000 сигналов равна, например, около 5 млн долл. США, в то время как три эквивалентные распределенные подсистемы автоматического регулирования оцениваются около 1 млн долл. США. Для обеспечения максимальной надежности в таких распределенных системах предусмотрены средства самодиагностики и защиты от ошибок.
Микропроцессорные контроллеры и микро-ЭВМ представляют собой микропроцессорные компьютеры, ориентированные на выполнение определенных функций управления в реальном масштабе времени. Микропроцессор -это еще не вычислительная машина, ему требуются дополнительные блоки (схемы) памяти и ввода-вывода, а также программное обеспечение для управления работой самого микропроцессора. Микропроцессорная система объединяет комплекс технологический аппарат - датчики - преобразовательноусилительные устройства - микропроцессор - исполнительные устройства. Использование микропроцессорных систем может повысить надежность локальной САУ до 99,5 %, а производство микропроцессоров ежегодно увеличивается до 35 %.
Разновидностью микропроцессорной техники являются программируемые контроллеры. Микроконтроллер опрашивает все датчики по очереди в определенной последовательности и с необходимой частотой; полученную информацию сравнивает с уставкой (заранее установленным верхним или нижним цифровым значением параметра); вырабатываемый управляющий сигнал (если есть в этом необходимость) передается на регулирующее устройство (клапан, заслонка и др.). В более сложных случаях, например, при автоматическом расчете, значения параметра управляющего сигнала по специальной заранее предусмотренной вычислительной программе (на основе принятой математической модели - алгоритма), требуется использование уже мини-ЭВМ в составе технологической установки.
Микропроцессорная техника существенно повышает эффективность работы технологического оборудования на уровне САУ технологических процессов (локальных АСУ), она позволяет выполнять техническую диагностику, опрос датчиков опасного или безопасного уровня значений тех или иных параметров, остановку наиболее дорогого оборудования (компрессоры, трубчатые печи и др.) по заранее созданной программе и последовательности операций без участия оператора, а также снизить общее число отказов работы технологического оборудования.
К примеру, фирма «Fisher Controls» (США) изготавливает широкую номенклатуру электронных контрольно-измерительных приборов и микропроцессоров. При этом используются аналоговые приборы ас2 и цифровые приборы dc2, которые взаимосовместимы. Компактная конструкция позволяет экономить 33-50 % пространства по сравнению с обычными приборами. Система ас2 имеет исключительную надежность - среднее время между отказами прибора превышает 170 тыс. ч. Групповой комплекс на основе цифровой системы dc2 используется для слежения за контрольными параметрами (точками), группового регулирования и управления ими с целью оптимизации. Управляющий компьютер dc2 включает в себя небольшой цифровой компьютер со специальным технологическим языком программирования рс2. Микропроцессорная система Fox 3 фирмы «Foxboro» (США) может применять также разговорный программный язык, объединяющий относящиеся к данному технологическому процессу фразы и алгебраические выражения.
Техническая диагностика. Обнаружение и поиск дефектов являются процессами определения технического состояния объекта и объединяются термином «диагностирование» [68]. Диагноз есть результат диагностирования. Любой технический объект после проектирования проходит две основные стадии своей жизни - изготовление и эксплуатацию. На стадии изготовления техническая диагностика участвует в приемке материалов и комплектующих изделий, в процессе производства, наладки и сдачи объекта. На стадии эксплуатации техническая диагностика сопутствует применению объекта по назначению, профилактике и ремонту оборудования.
Различают глубину диагностического процесса. Например, простая диагностическая система отвечает на вопрос, находится ли защищаемый объект в исправном техническом состоянии, или объект не может функционировать. Более совершенная диагностическая система может найти дефект и определить его местоположение, описать степень опасности такого дефекта, который будет причиной будущей аварии. Еще более сложная диагностическая система постоянно дает информацию в режиме реального времени о фактическом техническом состоянии объекта, входит в диалог с оператором и формулирует конкретные предложения (предписания) для предотвращения или устранения дефекта, для изменения технологического режима объекта или приказывает остановить немедленно какое-либо оборудование или всю технологическую установку (объект) и прогнозирует размеры опасности и ущерб, если объект и дальше будет эксплуатироваться. Такая разная «глубина» диагностики требует применения различных диагностических средств: инструментальное обеспечение (устройства, приборы, датчики и др.), программное обеспечение, ЭВМ или микропроцессоры, диалог с оператором, локальные системы или центральная многоуровневая система и др.
Функциональная диагностика работает постоянно, совместно с защищаемым объектом, она перерабатывает рабочие сигналы от эксплуатируемой системы (на марше). При тестовой диагностике на объект передаются тестовые сигналы (воздействия) во время остановки объекта. Рабочие и тестовые сигналы порождают ответы объекта для получения результатов диагностирования, т. е. для диагноза объекта: объект исправен или неисправен, имеет объект такой-то дефект, или в объекте повреждена такая-то его составная часть. На основе технической диагностики решаются проблемы диагностики, прогнозирования и технического генеза, т. е. оцениваются состояния объекта: реальное, будущее и прошлое (например, предыстория, состояние оборудования до аварии).
Параметры диагностирования измеряются для определения работоспособности объекта (изделия), поиска дефектов и прогнозирования состояния оборудования (объекта). Номенклатура диагностических параметров наиболее массовых изделий регламентируется нормативными документами (государственными или отраслевыми). Основу диагноза составляет совокупность физических величин (их число превышает 200): скорость, расход, плотность, длина, угол, масса, сила, давление, энергия, мощность, коэффициент трения, вязкость, температура, коэффициент теплопередачи и другие статические, динамические, тепловые, акустические, электрические, магнитные, механические параметры. Наиболее часто в практике технического диагностирования используют следующие виды измерений: электрометрия, виброакустика, дефектоскопия, структуроскопия, интроскопия, измерение механических свойств, состава вещества, размеров, сил, деформаций, давления, температуры, времени, массы, влажности, расхода, уровня и др. Точность современных измерений в промышленности весьма высока и постоянно увеличивается. Важным для устройства измерения является также возможность измерения какого-либо диагностического параметра объекта во время его эксплуатации (на марше); тогда устройство для измерения становится датчиком сигнала в автоматизированной системе диагностирования.
Вибродиагностика состояния машин и оценка степени опасности повреждения (дефекта) - один из наиболее эффективных методов повышения надежности оборудования. Измеряемыми параметрами в этом случае могут быть виброскорость, виброускорение, виброперемещение и др. По вибросигналу от объекта можно определять место дефекта (деталь, узел) и степень повреждения (например, степень износа подшипников, разбалансировки вращающихся деталей). Виброизмерительная аппаратура может быть переносная лабораторная и промышленная или в виде стационарных промышленных комплексов для обслуживания крупного динамического оборудования - вибромониторинг (компрессоры, насосы, турбины, крупные двигатели и др.).
Дефектоскопия представляет собой разнообразные методы и средства неразрушающего контроля и обнаружения дефектов сплошности и неоднородности в материалах и сварных швах изделий. Применяются разнообразные методы: магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический и метод проникающих веществ (гелий, жидкости). Эти методы с разной точностью обнаруживают внешние и внутренние микродефекты (трещины, раковины, непровары, капилляры и др.) на разной глубине детали. Применяют несколько сотен типов приборов для дефектоскопии: простые и сложные, например с микропроцессором регистрирующим, запоминающим, обрабатывающим и передающим результаты измерений.
Интроскопия (внутривидение) основана на визуализации электромагнитных и акустических полей при их взаимодействии (прохождении, отражении, рассеянии и т. п.) с материалом и конструкцией объекта диагностирования. Наиболее часто используется визуализация рентгеновского изображения.
Полученный световой рельеф можно воспринимать непосредственно или через систему электронно-оптического усиления и преобразования, которая переводит этот рельеф в усиленное изображение на выходном экране прибора.
Самым простым методом рентгеновской интроскопии является флюороскопия на флюороскопическом экране. Ксерорентгенографический метод дает изображение на селеновой пластине, которое затем переносится на бумагу. Метод флюорографии представляет собой фоторегистрацию оптического изображения с люминесцентного рентгеновского экрана. При рентгеновских исследованиях можно достигать стереоскопического эффекта наблюдения за объектом из двух точек под разными углами облучения. Рентгеновская вычислительная томография - это наиболее совершенное направление в промышленной рентгенодиагностической технике. Принцип получения изображения внутреннего объема объекта заключается в послойном поперечном сканировании объекта специальным рентгеновским пучком; измерении излучения за объектом детектором; синтезе полутонового изображения по совокупности координатных данных просканированного слоя; построении с помощью цифровой ЭВМ этого изображения на экране дисплея. Томографическое изображение является результатом точных измерений и вычислений на ЭВМ для просканированного слоя объекта. Объем информации по измеренной плотности слоев на разной «глубине» объекта примерно в 100 раз больше, чем в обычной рентгенограмме. Томографы позволяют решать одновременно задачи дефектоскопии, структуроскопии и измерения размеров изделий сложного профиля.
Трибодиагностика и мониторинг изнашивания. Трибодиагностика оценивает характер работы трибосистемы в реальном времени, позволяет прогнозировать ее изнашивание и своевременно принимать необходимые меры для обеспечения безотказной длительной работы с оптимальными триботехническими характеристиками. Мониторинг изнашивания принято определять как совокупность средств и методов непрерывного контроля характеристик трибосистемы в реальном времени. Поскольку анализ поверхности трения во многих случаях возможен только при разборке трибосистемы, то анализ смазочной среды (масла) имеет важную самостоятельную ценность, так как эта среда содержит продукты изнашивания, окисления и трибохимических реакций. Для этих целей с 1970-х годов широко применяется феррограф - прибор (внешний лабораторный или как встроенное устройство), позволяющий осаждать продукты изнашивания (размером 0,01-100 мкм) из проб используемых масел и затем исследовать эти осадки для установления как природы, так и количества изношенных контактирующих материалов трибосистемы. За последние 30 лет феррография нашла применение в диагностике самых различных трибосистем - от авиационной техники до нефтедобывающей промышленности (нефтегазобуровые морские платформы и др.), на транспорте и др. Феррография эффективна в случае появления достаточно крупных частиц изнашивания (это свидетельствует уже о катастрофическом развитии процесса износа), особенно при использовании встроенных устройств диагностики на основе феррографии, вращательного осаждения частиц износа, оптико-магнитной детекции и др.
Таким образом, основная цель технического диагностирования - как можно раннее выявление предвестников возможных отказов, а не установление факта уже имеющегося дефекта (отказа) или опасности дальнейшей эксплуатации оборудования.