Анализ технологического процесса как объекта автоматизации

1. Описание и анализ объекта автоматизации

1.1. Техническая характеристика объекта автоматизации

1.2. Описание технологического процесса

1.3. Анализ технологического процесса как объекта автоматизации

1. Технико-экономическое обоснование системы управления

2.1. Анализ существующей системы автоматизации

2.2. Выбор и обоснование системы управления

2.3. Экономическая оценка системы управления

1. Разработка системы управления

3.1. Математическое описание объекта управления

3.2. Анализ возмущающих воздействий

3.3. Синтез ситемы управления

3.4. Выбор и расчёт технических средств

3.5. Расчёт и анализ системы управления

1. Разработка ситемы автоматизации и выбор КТС

4.1. Выбор КТС системы автоматизации

4.2. Разработка функциональной схемы автоматизации

1. Автоматическая защита технологического оборудования

5.1. Характеристика систем автоматических защит

5.2. Описание существующей системы автоматической защиты

5.3. Выбор комплекса технических средств системы автоматической защиты

5.4. Разработка системы автоматической защиты

1. Безопасность жизнедеятельности
2. Расчёт экономической эффективности
3. Заключение
4. Список литературы

В данном дипломном проекте предлагается заменить существующую систему автоматизации (по тракту зелёного щёлока) содорегенерационного котлоагрегата (СРК) № 3 в цехе ТЭС – 2 ОАО « », изготовленного финской фирмой «Тампелла».

Предлагается система «Metso DNA» финской фирмы «Valmet automation», дающая возможность регулировать плотность зелёного щёлока на выходе из бака растворителя плава степенью открытия клапана подачи раствора слабого белого щёлока из цеха каустизации и регенерации извести.

Данная система позволит своевременно и оперативно регулировать плотность зелёного щёлока на выходе из бака растворителя плава, позволит сократить энерго- и сырьевые ресурсы, позволит существенно продлить срок службы основного оборудования, увеличить производительность СРК по пару и по зелёному щёлоку. Также за счёт внедрения новой системы и приборов контроля и измерения существенно улучшается «экологический фактор».

Сульфатный способ производства целлюлозы широко применяется в настоящее время, так как он позволяет использовать практически все виды древесного и недревесного растительного сырья и получать полуфабрикаты с высокими механическими и бумагообразующими свойствами, а также полуфабрикаты, предназначенные для химической переработки.

Непрерывность технологического процесса сульфатцеллюлозного производства и возможность регенерации химикатов из отработанных чёрных щелоков позволяет широко внедрять системы автоматического контроля и регулирования, облегчает очитку сточных вод, а также значительно снижает потребность в топливе за счёт утилизации потенциального тепла органической части щелоков.

Одним из основных агрегатов в системе регенерации химикатов на современном сульфатцеллюлозном заводе является содорегенерационный котлоагрегат, надёжная и экономичная работа которого в значительной степени определяет ритмичность и рентабельность производства сульфатной целлюлозы.

В целлюлозно-бумажной промышленности сейчас эксплуатируется большое количество содорегенерационных котлоагрегатов как отечественного производства так и зарубежных фирм изготовителей производительностью от 700 до 1400 тонн а.с.в. в сутки, производством перегретого пара давлением от 4 до 10 МПа и температурой 450 ˚С.

В настоящее время наряду с увеличением мощности вновь создаваемых современных содорегенерационных котлоагрегатов, что способствует сокращению капитальных вложений и эксплуатационных расходов, совершенствуются технологические схемы и отдельные элементы действующих котлоагрегатов, которые уже не отвечают требованиям по экономичности и степени автоматизации, по взрывобезопасности и особенно в отношении сохранения чистоты воздушного и водного бассейнов.

Технико-экономическими предпосылками создания АСУ ТП являются прежде всего рост масштабов производства, увеличение единичной мощности оборудования, усложнение производственных процессов, использование форсированных режимов (повышенные давления, температуры, скорости реакций), появления установок и целых производств, функционирующих в критических режимах, усиление и усложнение связей между отдельными звеньями технологического процесса. В последнее время в развитии целлюлозно-бумажной промышленности появились новые факторы, связанные не только с повышением требований к количеству и качеству выпускаемой продукции, но и с напряжённостью в области трудовых ресурсов. Рост производительности труда, в том числе путём его автоматизации, становится практически единственным источником расширения производства. Указанные обстоятельства предъявляют новые требования к масштабам использования и к техническому уровню АСУ ТП, к обеспечению их надёжности, точности, быстродействия, экономичности, то есть к эффективности их функционирования.

источник

В данной лекции мы рассмотрим: особенности технологических процессов как объектов управления (распределенность выходных переменных, транспортные запаздывания, многосвязанность, нестационарность, нелинейность); типовые схемы автоматического регулирования технологических переменных (расхода, давления, температуры, уровня, концентрации и т.п.)·

Технологический процесс составляет основу любого производственного процесса, является важнейшей его частью, связанной с переработкой сырья и превращением его в готовую продукцию. Технологический процесс включает в себя ряд стадий («стадия» — по-гречески «ступень»). Итоговая скорость процесса зависит от скорости каждой стадии. В свою очередь, стадии расчленяются на операции. Операция — это законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте и характеризуемая постоянством предмета труда, орудий труда и характером воздействия на предмет труда. Практически любой конкретный технологический процесс можно рассматривать как часть более сложного процесса и совокупность менее сложных технологических процессов. В соответствии с этим технологическая операция может служить элементарным технологическим процессом. Элементарный технологический процесс Это простейший процесс, дальнейшее упрощение которого приводит к потере характерных признаков технологического процесса.

Поэтому наиболее наглядную структуру технологического процесса можно представить на примере простой операции, обладающей одним рабочим ходом и комплексом вспомогательных ходов и пере: ходов, обеспечивающих ее протекание.

Развитие технологических процессов, а также их важнейшие технико – экономические показатели и построение технических систем происходит в соответствии с определенными закономерностями, которые будут рассматриваться в данной работе, невзирая на скудность информационного поля, вызванного недостаточной степенью изученности данной проблематики.

По характеру протекания технологические процессы делятся на непрерывные, периодические и дискретные.

Непрерывным называется такой процесс, в котором конечный продукт вырабатывается до тех пор, пока подводится сырье, энергия, катализаторы, управляющие воздействия. К таким процессам можно отнести, например, процессы переработки нефти.

Периодическим является технологический процесс, в котором за сравнительно небольшой промежуток времени (часы или дни) вырабатывается определенное, ограниченное количество конечного продукта. При этом в течение отведенного промежутка времени периодический процесс является непрерывным. Примером периодического процесса может быть технологический процесс плавки металла в доменной печи.

Дискретным называется технологический процесс, в котором конечный продукт вырабатывается за определенные промежутки времени, и этот процесс можно остановить, а также продолжить с любой технологической операции без снижения заданного уровня качества. Можно назвать такие примеры, как: процесс сборки изделий на конвейере, испытание готовых изделий и т.п.

Большинство технологических процессов требуют четкого управления ими. В общем случае, необходимость управления технологическими процессами диктуется следующими факторами:

· необходимость поддержания состава и количества входных компонентов на заданном уровне для обеспечения необходимого качества готового продукта;

· непрерывное изменение (подстройка) параметров технологического процесса, что связано с постоянным износом орудий труда и переменным составом сырья;

· пуск и остановка некоторых технологических процессов требует выполнения специфических точно синхронизированных операций и др.

Предметом изучения в данном курсе являются проблемы автоматизации основных химических производств. Основные химические производства и составляющие их технологические процессы мы и рассматриваем в данном курсе как объекты управления. Таким образом, мы далее рассмотрим химико-технологические объекты управления (ТОУ).

· ТОУ — это совокупность совместно функционирующих технологического оборудования и реализованного на нем технологического процесса.

· К ТОУ относят как отдельные технологические агрегаты и установки, реализующие локальный технологический процесс, так и целые производства (участки, цехи). Существуют «супер-ТОУ» — установки, включающие сотни технологических аппаратов (на нефтеперерабатывающих заводах).

· Оборудование ТОУ должно быть полностью механизировано и должно безотказно работать в межремонтный период.

· ТОУ должен быть управляем, т.е. разделен на определенные зоны с возможностью воздействия на технологический режим в каждой из них изменением материальных и энергетических потоков.

· Возможность воздействия на характеристики оборудования.

· Возможность доступа обслуживающего персонала к местам установки датчиков, исполнительных механизмов, регулирующих органов.

· Число возмущающих воздействий должно быть сведено к минимуму, что возможно в результате установки: ресиверов; емкостей с мешалками; теплообменников, уменьшающих амплитуду и частоту изменения таких параметров, как давление, состав, температура.

Типовая схема технологического производства химических продуктов показана на рисунке 7.1. Типовая технологическая схема производства состоит из стадий подготовки сырья, химического синтеза, выделения и очистки целевых продуктов и др.

Рисунок 7.1 — Типовая схема технологического производства химических продуктов

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10710 — | 7359 — или читать все.

193.124.117.139 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

источник

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

1.Научиться анализировать технологические процессы (установки) как объекты управления, выявлять их свойства и характеристики, важные с точки зрения задач автоматизации.

2.Приобрести навыки по разработке схем автоматизации технологических процессов с применением средств локальной автоматики.

1 Методика анализа технологического процесса

Объект управления – динамическая система, характеристики которой изменяются под влиянием возмущающих и управляющих воздействий. Объектами управления могут быть машины, аппараты в которых протекает технологический процесс. Как известно, регулирование –наиболее распространенная разновидность управления непрерывными технологическими процессами. Как и всякая система управления САР состоит из объекта регулирования и соответствующих технических средств автоматизации.

Технологические параметры, которые характеризуют состояние объекта регулирования и в процессе его работы должны соответствовать определенным значениям, называются регулируемыми параметрами.

Действительные значения регулируемых параметров в каждый момент времени называются текущими значениями.

На состояние объекта регулирования и следовательно на на значения регулируемых параметров влияют факторы, которые называются воздействиями.

Существуют возмущающие воздействия, которые действуют произвольно, вызывая нежелательные отклонения регулируемых параметров от заданных значений; а задача системы регулирования заключается в компенсации влияния возмущающих воздействий на объект регулирования, что достигается целенаправленным изменением других регулирующих воздействий.

Возмущающие и регулирующие воздействия можно рассматривать как входные сигналы для объектов регулирования.

Параметры, действующие на технологический процесс, делятся на три группы:

1. входные параметры, которые характеризуют материальные и энергетические потоки на входе в аппарат;

2. внутренние режимные параметры, которые характеризуют условие протекания процесса в объекте.

Объект управления может быть с распространенными и с сосредоточенными параметрами.

Совокупность значений всех параметров процесса – технологический режим, а совокупность значений параметров процесса, которые обеспечивают решение задачи, поставленной при управлении — нормальный технологический режим.

3. выходные параметры, которые характеризуют материальные потоки на выходе из аппарата.

Как было сказано, что возмущающие воздействия нарушают нормальный режим работы процесса. Их подразделяют на две группы:

Внешние возмущающие воздействия, которые поступают в аппарат извне вследствие изменения входных параметров, некоторых выходных параметров и изменения параметров окружающей среды.

Изменения входных параметров сразу приводит к изменению технологического режима в объекте управления.

Изменения большинства выходных параметров не влияют на ход процесса в объекте управления. Более того, они определяются течением процесса в объекте. Изменения параметров окружающей среды наиболее значительно влияют на технологический режим в случае установки аппаратов под открытым небом.

Внутренние возмущающие воздействия возникают внутри самого объекта

управления вследствие, например, загрязнения и коррозии внутренних

поверхностей аппарата, изменения активности катализатора и т.д.

При решении задачи управления особое внимание следует уделить на внешние возмущающие воздействия, т.к. они поступают в объект управления чаще, имеют ступенчатый характер и большую амплитуду изменения и они могут быть устранены перед поступлением в объект управления.

1.1 Построение локальных систем автоматизации ХТП

Локальные системы – это системы, которые выполняют ограниченные (местные) функции. Территориально системы могут располагаться как на местных пунктах управления, так и в помещениях управления.

Современные системы автоматизации строятся ,как правило, в виде многоуровневых и иерархических структур, относительно объекта управления.

Они занимают самый нижний уровень. Располагаются ближе всего к объекту и в наибольшей степени учитывают его специфику. Для синтеза этих систем необходимы подробные математические модели объектов или их каналов.

— контроль параметров ТП и сигнализации их предельных значений;

— стабилизация (регулирование) ТП на заданном технологическим регламентом уровне;

— программное управление параметрами или объектом по наперед заданным функциями времени, т.е по жестким программам включая пуск и останов;

— защита технологического объекта в предаварийных и аварийных ситуациях;

— технологическая блокировка, определяющая последовательность (включение, отключение) технологического оборудования предотвращающая возникновение аварийной ситуации;

— в случае применения локальных микропроцессорных контроллеров локальные системы выполняют функции сбора, обработки информации.

Технические средства локальных систем

-Первичные измерительные преобразователи;

-автоматические системы защиты и блокировки;

— локальные микропроцессорные контроллеры.

1.3 Этапы построения локальных систем

1.Анализ технологического процесса как объекта управления, выявление его существенных особенностей, важных с точки зрения задач автоматизации.

– Определяется производительность объекта, характер технологического процесса (периодический, непрерывный, смешанный);

— Определяются условия пожаро- и взрывоопасности, агрессивность и токсичность сред, параметры рабочих сред и их физико-химические свойства;

— Определяются основные эксплуатационные возмущения процесса, их характер и место приложения;

— Определяются показатели инерционных свойств отдельных агрегатов и процессов по основным каналам передачи воздействий, запаздывание по основным каналам передачи воздействий, свойства самовыравнивания агрегатов, распределенность или сосредоточенность параметров объекта.

— Определяются свойства управляемости объекта.

2.Анализ существующей локальной системы автоматизации с точки зрения ее технического совершенства и эффективности.

На этом этапе анализируется:

– совершенство организационной и технической структур;

— взаимодействие людей в системе управления,

— структура существующей системы управления;

— централизованная, децентрализованная, смешанная система управления.

— Анализируется совершенство локальных систем, т.е. правильность выбора схем регулирования (каскадных, комбинированных, многомерных), законов регулирования; наличие и совершенство схем защиты и блокировок; наличие приборов качественного анализа.

— Устанавливаются параметры контроля и регулирования, а также места приложения регулирующих воздействий.

3.Установление технологических параметров, подлежащих автоматическому контролю и регулированию, определение пределов изменения технологических параметров и требуемой точности измерения. Определение методов измерения технологических параметров с целью определения в дальнейшем комплекса технических средств автоматизации.

4.Определение точек отбора импульсов интересующих нас переменных и мест приложения эффективных регулирующих воздействий.

5.Выбор наиболее рациональных схем регулирования и законов регулирования.

6.Определение объемов необходимых автоматических защит и блокировок технологического оборудования.

7.Разработка принципиальных электрических схем сигнализации.

8.Определение способов представления оператором информации о ходе технологического процесса, размещение КИП-овского оборудования в помещении управления.

9.Решение вопроса о видах и средствах производственной связи.

источник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА И ЗАДАЧИ ЕГО АВТОМАТИЗАЦИИ

Развитие химической промышленности связано с возрастающей интенсификацией технологических процессов и ростом производств, использованием агрегатов большой единичной мощности, усложнением технологических схем, предъявлением повышенных требований к получаемым продуктам. Особое значение придается вопросам автоматизации процессов химической технологии в связи со взврыво- и пожароопасностью перерабатываемых веществ, их агрессивностью и токсичностью, с необходимостью предотвращения вредных выбросов в окружающую среду.

По степени взрывоопасной и пожарной опасности установка относится к категории «А».

Процесс каталитического риформинга является непрерывным. Он протекает при повышенной температуре и высоких давлениях, отклонения которых от заданных значений оказывают существенное влияние на ход процесса. Для этого необходимо проектирование системы управления которая позволит стабильно вести режимы управления процессом в соответствии с технологическими параметрами.

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

Для безопасного и эффективного ведения технологического процесса на установке каталитического риформинга необходимо регулировать и контролировать следующие параметры: температура, давление, уровень в аппаратах, расход потоков и влажность ВСГ.

Оптимальные значения этих параметров определяют эффективность и нормальную работу процесса.

Процесс каталитического риформинга осуществляется при температурах 470-530 о С, давлениях 2,0-4,5 МПа, расходе сырья 60-125 м 3 /час и кратности циркуляции водородсодержащего газа 1200-1800 м3/м3. При соблюдении таких значений параметров достигается оптимальная степень превращения сырья.

Регулирование расхода сырья необходимо для поддержания заданной
производительности установки. При этом осуществляется равномерная нагруз­ка оборудования установки. Изменение расхода сырья может вызвать аварию.

Регулирование расхода ВСГ необходимо для поддержания определен­ного соотношения между количеством сырья и ВСГ, которое влияет на качество продуктов. Уменьшение подачи ВСГ приводит к закоксовыванию катализатора, к перегреву и прогару змеевиков.

Основными блоками установки каталитического риформинга являются реакционный и блок стабилизации.

Реакторный блок представляет собой каскад из трех реакторов с промежуточным подогревом сырья в печи. Регулируемым параметром является температура на входе в реактора. Увеличение темпе­ратуры выше оптимальной влечёт за собой закоксованность катализатора, рост реакций гидрокрекинга, уменьшение выхода целевой продукции. Снижение температуры приводит к уменьшению скорости и полноты протекания целевых реакций что приводит к ухудшению качества целевых продуктов. Также в реакторах необходимо контролировать давление, его нужно поддерживать в диапазоне 2,0-4,5 МПа. Не соблюдение интервала по давлению также отрицательно сказывается на качестве целевых продуктов.

ВСГ из сепаратора С-1 направляется на осушку от влаги в адсорберы. После адсорберов необходимо контролировать влажность ВСГ, так как наличие влаги в ВСГ приведет к «сбросу» компрессора.

Основным аппаратом блока стабилизации является стабилизационная колонна, предназначенная для удаления из катализата нестабильных низкокипящих углеводородов. В стабилизационной колонне необходимо регулирование температуры верха колонны которая не должна превышать 97 о С. Регулирование температуры можно обеспечить изменением количества подаваемого острого орошения и стабилизацией подвода тепла в низ колонны за счет циркуляции и подогрева части стабильного катализата в подогревателе. Также предусматривается контроль давления для полного и четкого отделения газов от риформата.

На установке осуществляется контроль за расходом потоков, так как он является важным и технологическим, и коммерческим параметром.

3 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СРЕДСТВ РЕГУЛИРОВАНИЯ, КОНТРОЛЯ И СИГНАЛИЗА­ЦИИ

На данной проектируемой установке каталитического риформинга необ­ходимо контролировать и регулировать такие параметры как температура, дав­ление, расход, уровень. Оптимальные значения этих параметров определяют эффек­тивность и нормальную работу процесса.

В данном курсовом проекте автоматизированы печной, реакторный и сепарационный блоки.

Температура

Одним из основных факторов, влияющих на качество получаемых про­дуктов, является температура. Температура на входе в реакторы риформинга ре­гулируется в начале реакционного цикла на уровне, обеспечивающим заданное качество риформата — октановое число или концентрацию ароматических углеводородов. На данной проектируемой установке начальная температура составляет 480 °С. Увеличение или уменьшение температуры выше оптимальной влечет за собой дезактивацию катализатора, рост реакций гидрокрекинга, уменьшение выхода и снижение качества целевых продуктов.

Индикация значений температуры предусмотрена в теплонагруженных участках установки (реактора, печи, сепаратора).

Основной, наряду с температурой, регулируемый параметр, оказывающий существенное влияние на выход и качество продуктов риформинга. Промышленные процессы риформинга осуществляют при повышенных давлениях с целью подавления реакций коксообразования или с непрерывной регенерацией катализатора при пониженных давлениях. В реакторах осуществляется контроль перепада давления. Регулирование давления в сепараторе определяет состав жидкой и газообразной фазы и обеспечивает достаточную концентрацию водорода в ВСГ. Отображение давления (или перепада давлений) предусмотрено на реакторном блоке установки, а также в сепараторе. Величина давления позволяет не только регулировать оперативные параметры с целью поддержания качества конечных продуктов на должном уровне, но и дает возможность судить о работоспособности некоторых узлов, аппаратов или, например, о закоксованности катализатора.

Регулирование расхода топливного газа в печь необходимо для поддержания заданной температуры нагрева газо-сырьевой смеси. Изменение расхода топливного газа в печь может вызвать аварию.

Контроль уровня в сепараторе необходим для поддержания в них за­данного уровня жидкости. При понижении уровня может произойти попадание газа в линию всаса насоса, что приведет к его кавитации. При повышении уров­ня может произойти попадание жидкости на всас компрессора, что приведет к его остановке.

При выборе средств контроля, регулирования и сигнализации руководствуются следующими положениями:

1) системы автоматизации технологических процессов должны строиться, как правило, на базе серийно выпускаемых средств автоматизации и вычислительной техники;

2) при выборе технических средств автоматизации необходимо учитывать вид и характер технологического процесса, его пожаро- и взрывоопасность, агрессивность и токсичность, а также параметры и физико-химические свойства контролируемых и регулируемых сред, расстояние от местных приборов (первичных преобразователей, исполнительных устройств, до пунктов управления и контроля, требуемую точность и быстродействие контролирующей аппаратуры;

3) выбор рода используемой энергии (электрической, пневматической, гидравлической) для средств автоматизации определяется пожаро- и взрывоопасностью технологического процесса, агрессивностью, влажностью и пыльностью сред, требуемыми точностью, быстродействием, надежностью технических средств и дальностью передачи информации;

4) необходимо стремиться к применению однотипных средств автоматизации, обеспечивающих простоту сочетания, взаимозаменяемость, удобство компоновки на щитах управления, простоту обслуживания;

5) класс точности приборов должен соответствовать технологическим требованиям;

6) диапазон измерения измерительных приборов должен быть выбран так, чтобы номинальное значение измеряемого параметра составляло 50. 70% от верхнего предела измерения;

7) при прочих равных условиях предпочтение следует отдавать более дешёвым и доступным средствам автоматизации.

Для осуществления контроля, регулирования и сигнализации параметров предлагает­ся применение следующих приборов:

Датчики температуры

Температура на входе в реактора Р-1, Р-2, Р-3 Т=480 0 С, рабочее давление Р = 3,0 МПа.

Максимальное значение по шкале:

Для измерения температуры применяют термопреобразователи Метран-271-05-Ex с диапазоном измерения 0 – 800 °С и применяется в нейтральных, а также в агрессивных средах. Температура окружающей среды от -40 до 70 °С. Состоит из первичного преобразователя температуры и измерительного преобразователя. Чувствительный элемент изготовлен из термопарного кабеля КТМС(ХА), термоэлектроды которого сварены лазерной сваркой. Выходной сигнал — аналоговый 4-20 мА. Классом точности 0,5

Датчики уровня

Уровень нестабильного катализата в сепараторе С-1 L=2,25 м, рабочее давление Р = 2,9 МПа.

Максимальное значение по шкале:

м

В качестве датчиков уровня используются буйковый уровнемеры фирмы Emerson Process Management, Fisher 549B, диапазон измерения которых до 12 м. Они хорошо работают в различных жидкостях при широком диапозоне температур и давления. Диапазон рабочего давления до 42 МПа и температура рабочей среды от -29 до 593 о С. Температура окружающей среды от – 40 до 80 о С. Выходной сигнал 4-20 мА. Класс точности 0,25.

Датчики давления

Давление на входе в реактор Р-1 Р = 3 МПа, рабочая температура Т = 470-530 о С.

Максимальное значение по шкале:

МПа

В качестве датчиков давления используются емкостные измерительные преобразователи «Метран-100-ДИ-1162» с унифицированным токовым выходным сигналом. Предел измерения до 10 МПа. Датчик состоит из сенсорного модуля и электронного преобразователя. Давление подается в камеру сенсорного модуля, преобразуется в деформацию измерительной мембраны, что приводит к разности емкостей между мембраной и пластинами конденсатора. Разность емкостей измеряется и преобразуется электронным преобразователем в выходной сигнал. Выходной сигнал 4-20 мА. Класс точности 0,25. Температура окружающей среды от – 40 до 70 о С.

Приведенный датчик давления «Метран-100-ДИ-1162» можно использовать также в печном и сепараторном блоке.

Датчики расхода

Расход топливного газа к горелкам печи П-1 F_.= 65 м 3 /ч, рабочие температура Т = 45 о С, давление Р = 5,9 МПа.

Максимальное значение по шкале:

м 3 /ч.

Для измерения расхода применяются камерные диафрагмы типа ДКС. Класс точности 0,25. Стандартная диафрагма представляет собой сужающее устройство, выполненное в виде диска с отверстием для истечения жидкости. Расход, как функция перепада давления, измеряется дифманометрами:

Для контроля расхода сырья выбираем расходомер Метран- 350-М-Ех диапазоном измерений 0,08 — 49137,0 м 3 /ч с унифицированным выходным сигналом 4 – 20 мА, максимальное избыточное давление в трубопроводе

10 МПа взрывозащищенное с искробезопасными выходами, =1,0 %. Принцип действия расходомера основан на измерении расхода среды методом переменного перепада давления.

Расход стабильного гидрогенизата (сырья) F_.= 165 м 3 /ч, рабочие температура Т = 45 о С, давление Р = МПа.

Максимальное значение по шкале:

м 3 /ч.

Для измерения расхода применяются камерные диафрагмы типа ДКС. Класс точности 0,25. Стандартная диафрагма представляет собой сужающее устройство, выполненное в виде диска с отверстием для истечения жидкости. Расход, как функция перепада давления, измеряется дифманометрами:

Для контроля расхода сырья выбираем расходомер Метран- 350-М-Ех диапазоном измерений 0,08 — 49137,0 м 3 /ч с унифицированным выходным сигналом 4 – 20 мА, максимальное избыточное давление в трубопроводе

10 МПа взрывозащищенное с искробезопасными выходами, =1,0 %. Принцип действия расходомера основан на измерении расхода среды методом переменного перепада давления.

источник

Приоформлении расчетно-пояснительной записки фраза «технологический процесс» должна быть заменена на название того процесса, который исследуется в данной работе. Общий объем данного раздела, как правило, 10−15 страниц. Исследование процесса как объекта автоматизации включает в себя: изучение известных данных, априорную информацию, анализ теории данного производственного процесса и определение основных его закономерностей, дается характеристика и анализ технологического процесса как объекта автоматизации. Приводится краткое описание существующего технологического процесса и оборудования со ссылкой на действующий регламент и технологическую схему. Дается описание основных физико-химических закономерностей данного технологического процесса.

Приводится описание технологической схемы с указанием регламентных параметров ведения процесса, регламентных норм для основных технологических переменных и их граничных значений, определяемых пожаро- и взрывобезопасностью. Приводится краткое описание принципов действия и конструкции основных аппаратов и агрегатов.

На основании анализа особенностей технологического процесса и основных его физико-химических закономерностей проводится обоснование выбора конкретных схем регулирования и указываются возможные пути повышения качества регулирования – применение каскадных схем регулирования, построение инвариантных комбинированных автоматизированных систем регулирования (АСР) и т.д.

Разработка математической модели. Глубокое исследование технологических процессов позволяет строить их математические модели и использовать эти модели при создании систем управления. Регулировать можно все без исключения процессы при возможности технического осуществления. Поэтому и число объектов регулирования может быть сколь угодно большим.

Объекты регулирования можно сгруппировать по общим физическим принципам или законам, которые положены в основу их работы. Зная физический закон, положенный в основу работы данного объекта регулирования и его конструкцию, в большинстве случаев можно дать его математическое описание, необходимое при исследовании системы регулирования. При этом в значительной степени расширяется традиционная область использования математических моделей, предназначенных для расчета систем стабилизации и регулирования соответствующих объектов, и от моделей требуется такая степень адекватности процессу, которая позволяет на их основе решать задачи управления и оптимизации в широком диапазоне режимов, а также и оптимального технологического проектирования самого объекта.

Объекты регулирования, которые могут быть охарактеризованы как типовые:

1) резервуары, заполняемые жидкостями, пульпой, сыпучими материалами, т.е. объекты, работающие по законам истечения веществ;

2) тепловые объекты, к которым относятся нагревательные печи, теплообменники, печи обжига, автоклавы и т.д., т.е. объекты, работающие по законам теплопередачи;

3) аппараты давления типа выпаривателей, ресиверов, – объекты, работающие по законам газового состояния;

4) электрические объекты типа электропечей, генераторов постоянного и переменного тока, двигателей постоянного и переменного тока – объекты, работающие по законам электричества.

Перечисленные выше объекты достаточно полно отражают современную технику химической и, пищевой промышленности. Для примера рассмотрим объекты работающие по законам истечения веществ (резервуары).

Резервуары широко распространены в химической и пищевой промышленности в качестве технологических аппаратов. Достаточно указать следующие аппараты, выполненные на базе резервуаров: куб колонны, отсадочные машины, бункеры, пруды системы водоочистки, отстойники и т.д. Многие из этих устройств являются или могут быть объектами регулирования, поэтому необходимо знать их свойства как звеньев системы регулирования. Обычно интересуются уровнем в резервуаре в зависимости от расхода или притока вещества, так как уровень в резервуарах часто регулируется или стабилизируется.

Принципиальная конструкция резервуара, заполненного жидкостью или пульпой, показана на рисунке 2а. Примем за выходную регулируемую величину высоту уровня h в резервуаре. Управляющим воздействием будет изменение проходного сечения вентиля на сливном трубопроводе F₁ и возмущающим воздействием – количество жидкости Q₂, поступающей в резервуар.

Еще раз отметим, что с таким же успехом можно взять за управляющее воздействие Q₂ и за возмущающее – F₁. Выбор этих возмущений зависит от конкретных условий работы резервуара.

Рассмотрим сначала статические характеристики резервуара, т.е. зависимости h=f(F₁) и h=f(Q₂) в установившемся режиме.

Установившийся режим характеризуется тем, что расход жидкости равен притоку, а уровень остается постоянным

,

,

где и – расход жидкости, м³/с;

Рисунок 2 – Принципиальные схемы резервуаров

На основании законов гидродинамики запишем зависимость между расходом жидкости Q₁, высотой уровня h и проходным сечением F₁ (уравнение Торричелли):

, (1.1)

где – проходное сечение вентиля трубопровода, м²;

μ – коэффициент расхода (зависит от формы и конструкции проходного сечения);

g– ускорение силы тяжести, м/с².

Зная численное значение величин, входящих в формулу (1.1), можно построить характеристику h=f(F₁)при постоянном Q₂ (рисунок 3). Эта характеристика называется статической характеристикой объекта по управляющему воздействию. Статическую характеристику можно получить и экспериментально. Для этого следует изменять проходное сечение F₁ и после установления равенства Q₁=Q₂ уровнемером измерить значение уровня h.

Рисунок 3 – Статические характеристики резервуара

Экспериментальное снятие статических характеристик производится тогда, когда какой-либо коэффициент, входящий в формулу (1.1), неизвестен или численная величина его вызывает сомнения (чаще всего μ).

Статическая характеристика h=f(Q₂) называется характеристикой по возмущающему воздействию, или нагрузочной характеристикой.

Нагрузочная характеристика определяется при постоянном F₁. Так как в установившемся режиме Q₁=Q₂, то

. (1.2)

Вид характеристики h=f(Q₂) показан на рисунке 3. Нагрузочную характеристику также можно снять экспериментально. Для этого следует расходомером замерять Q₂ и при равенстве Q₁=Q₂ с помощью уровнемера измерить высоту уровня h.

Для объектов регулирования большое значение имеет регулировочная характеристика, т.е. зависимость F₁=f(Q₂) при h=const. Регулировочная характеристика показывает, как следует менять управляющее воздействие при изменении возмущающего воздействия, чтобы регулируемый параметр оставался постоянным. Очень часто регулировочная характеристика является зеркальным отображением нагрузочной. Как видно из формулы (1.2), эта зависимость линейна (рисунок 3). Регулировочную характеристику можно снять экспериментально. Для этого следует расходомером замерять Q₂ и при постоянном h определить площадь проходного сечения F₁.

Как видно из формул (1.1) и (1.2) и из рисунка 3, функции h=f(F₁) и h=f(Q₂) нелинейные.

Проведем линеаризацию и получим уравнение в отклонениях.

Для этого дадим приращение сечению вентиля ΔF₁, тогда соответственно получат приращения уровень Δh и расход ΔQ₁:

.

После возведения в квадрат правой и левой частей получим формулу (1.3):

(1.3)

Перенесем начало координат в точку установившегося состояния Q₁, h, для чего из уравнения (1.3) вычтем уравнение (1.1), возведенное в квадрат:

Члены ΔF₁ 2 , ΔQ₁ 2 , ΔF₁Δh и ΔF₁ 2 Δh являются членами высшего порядка малости и ими можно пренебречь (линеаризация). Тогда окончательно получим

. (1.4)

Уравнение (1.4) есть линеаризованное уравнение (1.1) в отклонениях.

Рассмотрим теперь работу резервуара в динамическом режиме. В этом случае интересуются проведением уровня h при изменении управляющего или возмущающего воздействия.

Запишем уравнение динамического режима

, (1.5)

где S – площадь резервуара, м².

Уравнение (1.5) показывает, что количество жидкости Q₂dt, поступившее за время dt, уравновешивается приращением объема жидкости в резервуаре Sdh и количеством жидкости Q₁dt, которая вытекает из резервуара за то же время dt. Разделим правую и левую части уравнения (1.5) на dt и дадим скачкообразное приращение расходу Q₂, равное ΔQ₂. Совершенно очевидно, что приращение получат и уровень Δh, и расход жидкости из резервуара ΔQ₁:

. (1.6)

Для улучшения уравнения только в отклонениях вычтем из уравнения (1.6) уравнение установившегося состояния:

. (1.7)

Производная , так как h – величина постоянная. Подставим в уравнение (1.7) значение ΔQ₁, из уравнения (1.4):

.

Разделим правую и левую часть на коэффициент при Δh:

. (1.8)

Рассмотрим коэффициенты уравнения (1.8). Коэффициент при ΔQ₂ называется коэффициентом передачи по возмущающему воздействию (с/м²):

.

Коэффициент K_В определяется аналитически или по статической характеристике рисунка 1.2 как отношение приращения Δh к ΔQ₂:

Коэффициент при ΔF₁ называется коэффициентом передачи по управляющему воздействию (1/м)

.

Коэффициент K_у также определяется аналитически или по статической характеристике как отношение приращения Δh к ΔF₁:

.

Существенно отметить, что коэффициенты K_B и K_y зависят от выбора рабочей точки, т.е. точки установившегося состояния при нелинейных статических характеристиках. Поэтому если объект работает в широком диапазоне изменения уровня, то следует определить коэффициенты передачи. Как будет видно из дальнейшего изложения, коэффициент передачи оказывает существенную роль на устойчивость системы и её точность.

Коэффициент при производной называется постоянной времени (с):

.

Выясним физическую сущность постоянной времени. Умножим и разделим коэффициент при производной на 2h:

.

Постоянная времени является отношением количества вещества (энергии), запасенного в объекте, к расходу (рассеянию) вещества (мощности) из объекта, т.е. характеризует способность последнего накапливать и рассеивать вещество или мощность. Это определение вытекает из уравнения Лагранжа.

Таким образом, любой объект, могущий запасать энергию и рассеивать мощность, должен обладать постоянной времени. Этим правилом можно пользоваться для проверки составления уравнения и размерности их коэффициентов.

Постоянную времени можно представить в несколько ином виде:

,

т.е. как произведение площади резервуара на коэффициент передачи по возмущающему воздействию. Так как коэффициент K_B зависит от выбора рабочей точки, то и постоянная времени Т также будет зависеть от выбора рабочей точки на статической характеристике.

Учитывая введенные обозначения, получим окончательно уравнение объекта в таком виде, в каком оно записывается в теории регулирования:

. (1.9)

Подвергнув уравнение преобразованию Лапласа и приняв, что начальные условия равны нулю, получим

, (1.10)

где , , Δ – изображения входных и выходных величин.

Отношения изображения выходной величины к изображению входной при нулевых начальных условиях называются передаточной функцией объекта регулирования.

Данный объект имеет две передаточные функции – по управляющему и по возмущающему воздействиям

; (1.11)

. (1.12)

Передаточные функции широко используются для анализа и синтеза систем автоматического регулирования.

Уравнение (1.9) имеет два решения, которые соответствуют двум скачкообразным воздействиям управляющему при Q₂=const и возмущающему при F₁=const:

Объекты, обладающие перечисленными выше свойствами и имеющие передаточные функции вида (1.11), (1.12), получили в теории регулирования название апериодических звеньев первого порядка. В технологической практике подобные объекты иногда называются одноемкостными объектами с самовыравниванием. Типичным примером проанализированного объекта служит отсадочная машина, у которой стабилизируется уровень.

Вид уравнений для резервуаров, заполненных сыпучими телами (гравий, песок, сахар, мука и т.д.), будет аналогичен уравнению (1.9), но статические характеристики и коэффициенты передачи K_у и K_В будут определяться законами истечения для этих веществ.

Изменение режима работы резервуара может значительно изменить его характеристики.

Рассмотрим резервуар, жидкость из которого отсасывается насосом с постоянной производительностью (рисунок 2б).

Уравнение равновесия остается прежним:

Теперь Q₁не зависит от высоты уровня h.

Составим уравнение динамического режима:

. (1.13)

По известным правилам запишем уравнение в отклонениях:

,

. (1.14)

=0, так как насос работает с постоянной производительностью (Q₁=const).

Уравнение (1.14) показывает, что при скачкообразном изменении приращения ΔQ₂ в момент t уровень меняется с постоянной скоростью и не может принять нового установившегося состояния. При отрицательном ΔQ₂ уровень будет понижаться с постоянной скоростью до полного опорожнения резервуара, а при положительном ΔQ₂ – повысится до переполнения резервуара.

Из приведенного примера наглядно видно, что изменение режима работы резервуара привело к изменению его свойств как объекта регулирования. Нетрудно заметить, что регулировать уровень в данном резервуаре значительно сложнее, чем в предыдущем.

Подвергнем уравнение (1.14) преобразованию Лапласа:

.

, (1.15)

где .

Объект, имеющий передаточную функцию типа (1.15), в теории регулирования получил название астатического или интегрирующего звена первого порядка.

В технологической практике такое звено иногда называется одноемкостным звеном без самовыравнивания.

Выбор контуров и законов регулирования. Приводится обоснование выбора контуров и законов регулирования для разработки системы автоматического управления (САУ).

Для построения математической модели САУ необходимо знать ее математическое описание, т.е. динамику поведения объекта во времени. Математическая модель позволяет определить передаточные функции W(p). Затем необходимо получить кривую разгона объекта управления. Кривую разгона можно получить двумя способами:

1) экспериментальным путем на действующем производственном оборудовании;

2) с помощью имитационной модели, реализованной в пакетах прикладных программ (например, SCADA-системы).

В обоих случаях принимают, что в объект управления входят первичный измерительный преобразователь, вторичный прибор и исполнительный механизм.

Для нахождения кривой разгона с помощью прикладных программ необходимо знать входное значение измеряемого параметра и значение на выходе. Объект автоматизации представляется в виде нескольких звеньев с различными передаточными функциями, соединенными между собой. В процессе работы на различные участки объекта автоматизации могут поступать внешние возмущающие воздействия. В связи с этим алгоритмическая схема может состоять из звеньев с одним входным и выходным сигналом; с двумя или несколькими входными сигналами и одним выходным; с двумя или несколькими входными сигналами и с двумя или несколькими выходными сигналами. В дальнейшем звенья с несколькими каналами прохождения сигналов заменяются несколькими более простыми звеньями с соответствующими передаточными функциями по каждому каналу.

Алгоритмическую структурную схему объекта автоматизации целесообразно представлять простейшими элементарными (типовыми) звеньями, динамические свойства и аналитические выражения для передаточных функций которых известны. В зависимости от типа первичного измерительного преобразователя (датчика) необходимо задать его передаточную функцию. Например, термометр сопротивления имеет передаточную функцию апериодического звена второго порядка, термопара – апериодического звена первого порядка. Также можно принять, что передаточные функции вторичного прибора и исполнительного механизма равны 1 (W(p)=1), т.е. сигнал с первичного прибора передается без потерь. Также необходимо учитывать инерционность используемых приборов. Поэтому в передаточную функцию объекта управления необходимо заложить звено чистого запаздывания (W(p)=e — pτ ).

После определения по алгоритмической структурной схеме каналов управления объектом автоматизации необходимо выбрать оптимальный закон регулирования. По заданным показателям качества (величина перерегулирования, время переходного процесса, точность регулирования) необходимо подобрать такое корректирующее устройство, при включении которого в систему управления достигались бы желаемые показатели качества.

В качестве корректирующих средств может выступать как стандартный промышленный непрерывный регулятор (П, ПИ, ПИД), так и регулятор с рассчитанной самостоятельной передаточной функцией.

Если стоит задача повысить точность регулирования, синтез можно проводить с использованием интегрального квадратичного критерия качества.

Однако при таком способе синтеза, следует учитывать, что стремление минимизировать ошибку регулирования приведет к повышению колебательности, что, в свою очередь, может привести к потере устойчивости системы.

Если синтез проводится по степени устойчивости системы, можно применять любой из методов расчета оптимальных настроек регуляторов (графоаналитический или с помощью РАФЧХ).

Наиболее оптимальным является выбор ПИД-регулятора, который включает в себя все основные настройки и является универсальным. Модель такого регулятора имеет вид

u(t)=k_p∙x(t) + ,

где k_p – коэффициент усиления регулятора;

Т_и – постоянная времени изодрома;

Т_Д – постоянная времени дифференцирования.

При выборе типа регулятора необходимо учитывать вид объекта управления. Необходимо представить структурную схему автоматической системы регулирования и привести расчет АСР.

Чаще всего для статических объектов управления выбирается ПИ (ПИД) регулятор, который имеет в своей структуре интегрирующую составляющую, которая сводит статическую ошибку регулирования к нулю. С другой стороны, для регулирования астатических объектов управления нежелательно применять ПИ-регулятор, т.к. та же интегрирующая часть ухудшает устойчивость системы. Поэтому для таких объектов управления можно выбирать статические регуляторы (П, ПД) которые повышают запасы устойчивости.

При выборе типа регулятора и его настроек опираются на следующие показатели качества:

– степень колебательности m= , которая численно равна абсолютному значению отношения действительной части наиболее близко лежащего к оси мнимых корня характеристического уравнения к мнимой части;

– показатель колебательности М – максимальное значение амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы автоматического управления. Чем больше значение М, тем выше колебательность системы;

– степень затухания переходного процесса x, которая связана со степенью колебательности x=1-е -2 p m . Для хорошо демпфированных систем степень затухания должна составлять 90−98% за период.

Все эти три показателя являются равнозначными. Кроме того, при выборе типа регулятора следует опираться на вид переходного процесса, который должен быть получен в результате синтеза: апериодический без перерегулирования; с 20% перерегулированием; по минимуму интегрального квадратичного критерия качества.

Составляется структурная схема системы.

Приводится расчет надежности АСР и расчет оптимальных настроек регулятора.

В результате синтеза САУ должна обладать желаемыми показателями качества, т.е. такими, которые требует технологический регламент ведения процесса.

Выводы по главе. По каждому пункту раздела формулируется вывод и оформляется в виде самостоятельного абзаца.

Разработка функциональной схемы автоматизации технологического процесса. В процессе проектирования систем автоматизации технологических процессов все основные технические решения по автоматизации установок, агрегатов или отдельных узлов технологического процесса отображаются на функциональных схемах автоматизации.

Функциональная схема автоматизации является основным проектным документом, определяющим структуру и уровень автоматизации технологического процесса объекта и оснащение его приборами и средствами автоматизации, в том числе средствами вычислительной техники. Функциональные схемы представляют собой чертежи, на которых при помощи условных изображений показывают технологическое оборудование, коммуникации, органы управления, приборы и средства автоматизации, средства вычислительной техники и другие агрегатные комплексы с указанием их связей между приборами и средствами автоматизации.

Функциональные схемы разрабатываются на основании анализа работы технологического оборудования и агрегатов, законов и критериев управления объектом, а также требований, предъявляемых к качеству систем автоматизации, таких как точность поддержания технологических параметров, качество регулирования и надежность.

При этом должны быть решены следующие вопросы:

– определены оптимальные объемы (уровень) автоматизации;

– установлены технологические параметры, подлежащие автоматическому регулированию, уточнены пределы их измерений, выбраны методы измерения этих параметров с последующим подбором технических средств для их реализации;

– определено технологическое оборудование, которое управляется автоматически, дистанционно или телемеханически;

– определены объемы необходимых автоматических защит и блокировок;

– произведен выбор основных технических средств автоматизации, наиболее полно отвечающих предъявленным требованиям и условиям работы автоматизированных технологических установок;

– размещены приборы и аппаратура на щитах и пультах центральных пунктов управления и определены способы представления требуемой информации о ходе технологического процесса.

Несмотря на практически неограниченное разнообразие технологических процессов, условий их функционирования и требований к управлению, можно сформулировать некоторые общие принципы, которыми можно руководствоваться при проектировании схем автоматизации.

В процессе разработки функциональных схем должны учитываться не только существующие требования технологических процессов, но и перспективы их модернизации и развития, а также особенности развития технических средств автоматизации и опыт их внедрения для того, чтобы в дальнейшем обеспечивалась возможность наращивания функций системы управления.

Уровень охвата технологического процесса системой автоматического управления определялся целесообразностью внедрения определенного комплекса технических средств и достигнутого уровня научно-технических разработок.

При разработке функциональных схем должны быть решены вопросы о взаимосвязи с системой АСУП.

Системы автоматизации технологических процессов должны строиться на базе серийно выпускаемых средств автоматизации и вычислительной техники.

В качестве локальных средств сбора и накопления первичной информации (датчиков), вторичных приборов, регулирующих и исполнительных устройств следует использовать преимущественно приборы и средства автоматизации с одним типом используемой вспомогательной энергии.

При построении схем автоматизации и выбора технических средств должны учитываться: вид и характер производственного процесса, условия пожаро- и взрывоопасности, агрессивности и токсичности окружающей среды и т.д; параметры и физико-химические свойства измеряемой среды; расстояния от мест установки датчиков, исполнительных механизмов и запорных органов до пунктов управления и контроля; требуемая точность и быстродействие.

Выбор аппаратуры автоматизации с точки зрения рода вспомогательной энергии (электрической, пневматической и гидравлической) определяется условиями пожаро- и взрывоопасности автоматизируемого объекта, дальностью передачи сигналов информации и управления.

Следует выбирать аппаратуру с тем классом точности, который определяется действительными требованиями автоматизируемой установки. Обычно чем выше класс точности измерительной аппаратуры, тем более сложной является конструкция приборов и выше их стоимость.

Для наиболее ответственных узлов и систем автоматизации в проектах следует выполнять расчеты надежности для приближенной оценки соответствия полученной надежности требуемой.

Необходимо применять однотипные средства автоматизации предпочтительно унифицированных систем, характеризуемых простотой сочетания, взаимозаменяемостью и удобством компоновки на щитах управления. Использование однотипной аппаратуры дает значительные эксплуатационные преимущества как с точки зрения ее обслуживания, так и в отношении обеспечения запасными частями, ремонта, настройки.

При централизованном управлении следует применять современные автоматические системы централизованного управления, контроля, что способствует снижению затрат на автоматизацию, разгрузке операторов от постоянного наблюдения за показаниями приборов.

Количество приборов, аппаратуры управления и сигнализации, сосредоточенных на щитах и пультах управления, должно быть ограниченным. Излишек аппаратуры является не менее вредным, чем ее недостаток.

Последнее изменение этой страницы: 2016-06-19; Нарушение авторского права страницы

источник