Система автоматического регулирования установки для получения моющего раствора

Введение

автоматизация установка контроллер Целью данной курсовой работы является ознакомление с принципами построения современных систем автоматизации технологических процессов, реализованных на базе промышленных контроллеров и ЭВМ .

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

ознакомление с методикой разработки функциональных схем автоматизации технологических процессов на базе серийно выпускаемых приборов и промышленных контроллеров;

ознакомление с характеристиками современных приборов и средств автоматизации;

изучение основных подходов к обоснованному выбору приборов и технических средств автоматизации;

изучение действующих стандартов и других нормативных документов регламентирующих правило оформления технической документации по автоматизации технологических процессов.

1. Исходные данные на проектирование Темой курсового проекта является автоматизация системы автоматического регулирования установки для получения моющего раствора — рисунок 1.

Рисунок 1 — Автоматизация установки для получения моющего раствора Данная установка широко применяется в различных технологических процессах пищевой промышленности благодаря своей простоте.

Принцип работы установки для получения моющего раствора заключается в следующем. Концентрированный раствор щелочи поступает самотеком из сборника 1 в смеситель 2, снабженной мешалкой. Сюда же поступает холодная воды из сети. Аппарат обогревается паром с давление P=150 кПа. Готовый моющий раствор непрерывно отводится из смесителя в сборник 3.

В качестве объекта управления данным процессом примем аппарат-смеситель. Управление мешалкой в данном смесителе осуществляется за счет управления электродвигателем.

Для автоматизации процесса установки для получения моющего раствора необходимо знать основные контролируемые, измеряемые и управляемые параметры. Согласно технологического описания процесса основными параметрами являются:

Исходные данные.

Техническая характеристика оборудования, используемого в технологическом процессе получения моющего раствора:

1) давление пара — 150 кПа;

2) количество моющего раствора — 4т/ч;

3) количество щелочи — 10% от моющего раствора;

4) температура моющего раствора — 75 °C.

5) концентрация готового раствора-10%;

6) уровень щёлочи в сборнике 1−1м;

7) уровень моющего раствора в сборнике 3−1м.

Расчет диаметров технологических трубопроводов. Важной характеристикой при выборе трубопровода является правильный подбор диаметра трубопровода, который определяется из уравнения расход жидкости, (м3/с):

(1).

где W — скорость, м/с;

F — площадь поперечного сечения трубопровода, м2;

d — внутренний диаметр трубопровода, м.

Из формулы (1) получим:

(2).

Чтобы получить большую скорость прохождения жидкости, выбирают трубопровод меньшего диаметра при данном расходе, но при этом возрастает потеря давления и следственно расход энергии. Чтобы уменьшить скрость выбирают трубопровод большего диаметра. В этом случе расход энергии уменьшается, но увеличивается стоимость трубопровода. Оптимальная скорость прохождения жидкости соответствует минимуму эксплуатационных расходов, т. е. сумм стоимости энегии, амортизации и ремонта.

При расчетах трубопроводов скорость движения (м/с) ориентированно может быть принята в следующих интервалах:

движение жидкости при подаче насосом — 1,5 — 2,5 м/с;

движении самотеком — 0,5 — 1,0 м/с;

для газов — 5 — 20 м/с;

для паров — 15 — 40 м/с;

Определим расход моющего раствора и диаметр трубопровода для отвода моющего раствора из смесителя в сборник 3.

Из технической характеристики массовый расход: G = 4000 кг/ч=1.2кг/с Тогда объемный расход:

(3).

где кг/м3 — плотность моющего раствора.

м3/с Зная объемный расход воды из формулы (1) определим диаметр трубопровода:

м где W = 0,2 м/с, т.к. моющий раствор движется самотеком.

Принимаем диаметр трубопровода для готового продукта 50 мм.

Определим расход и диаметр трубопровода для подачи пара в смеситель.

Для того, чтобы определить расход и диаметр нужно написать уравнение теплового баланса теплообменного аппарата. Так как в данном аппарате теплоноситель изменяет свое агрегатное состояние уравнение теплового баланса будет иметь вид:

(4).

где 1,08 — постоянный коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду;

где G — расход холодного теплоносителя (воды), кг/с;

сг и сконц — теплоемкость холодного теплоносителя и конденсата греющего пара, Дж/(кг· К);

tгк и tгн — конечная и начальная температур воды соответственно, °С;

D — расход греющего пара, кг/с;

r — удельная теплота парообразования, Дж/кг;

Из технологической характеристики оборудования и таблицы «Физические свойства воды» находи:

Gг = 4 т/ч = 1.1 кг/с; сг = 4,19· 103 Дж/(кг· К); tгк = 70 °C; tгн = 18 °C; r = 2208 кДж/(кг· К).

r — определяем по таблице в зависимости от Рп и tп.

Представляя значения в формулу (4) находим расход греющего пара:

кг/с Находим объемный расход пара по формуле (3):

м3/с где кг/м3 — плотность пара, определяем по таблицам в зависимости от Рп и tп.

Зная объемный расход пара определим диаметр трубопровода для подачи пара по формуле (2):

м где W = 20 м/с — скорость движения пара.

Принимаем диаметр трубопровода для подачи пара 90 мм.

Определяем объемный расход и диаметр трубопровода для подачи воды из сети в смеситель.

Из технологической характеристики:

Gв = 4 т/ч = 1.2кг/с.

Объемный расход воды из сети по формуле (3) составит:

м3/с Таким образом, диаметр трубопровода получаем равным, согласно формуле (2):

м где W = 0,3 м/с — скорость воды из сети (вода подается самотеком).

Принимаем диаметр трубопровода для подачи пара 70 мм.

2. Разработка функциональной схемы автоматизации Схема построена на базе контроллера ADAM-8000, укомплектованного соответствующим набором модулей ввода/вывода. Контроллер связан с ЭВМ через сеть Ethernet. Управляющая ЭВМ таким образом используется для вывода на экран значений технологических переменных, их регистрации и сигнализации их предельных значений. Также ЭВМ формирует законы управления исполнительными механизмами и электродвигателем мешалки.

Для измерения концентрации щелочи в растворе используется измеритель концентрации состоящий из чувствительного элементаQE-1a и преобразователя поз QT-1б, с выходным унифицированным токовым сигналом (4−20 мА). Этот сигнал подается на вход модуля аналогового ввода АI 8231−1ВD60 Этот модуль предназначен для ввода унифицированного токового сигнала 4−20 мА. Регулирование уровня раствора в смесителе осуществляется путем изменения расхода воды регулирующим органом, установленным на трубопроводе подачи воды. Этот регулирующий орган оснащен электродвигательным исполнительным механизмом поз. е с датчиком угла поворота поз. GE-2. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO 8222−1BF10 через магнитный пускатель поз. 1д. Исходя из особенностей управления электродвигательным исполнительным механизмом в схеме задействовано два канала дискретного вывода. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода DI 8211−1BF00. Для управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция поз. HS-W), установленная по месту. Для сигнализации предельно допустимых верхнего и нижнего уровней в смесителе на щите установлена одна сигнальная лампа HL1. Управление электродвигателем Ml насоса осуществляется сигналом с модуля дискретного вывода DO 8222−1BF10 через магнитный пускатель поз. NS-2г. Включение/отключение двигателя может осуществляться в ручном режиме с помощью кнопочной станции поз. HS-3б либо в автоматическом режиме. В этом случае ЭВМ формирует сигнал отключения двигателя насоса при достижении предельно допустимого нижнего уровня раствора в смесителе. Для реализации сигнализации состояния двигателя (включен/отключен) на ЭВМ слаботочный контакт магнитного пускателя подключается к входу модуля дискретного ввода DI 8211−1BF00. Датчик угла поворота исполнительного механизма поз. GE-2 переназначен для вывода на ЭВМ информации о степени открытия регулирующего органа. Этот датчик формирует на выходе унифицированный токовый сигнал (4−20мА) и подключается к модулю аналогового ввода AI 231−1BD60.

Для измерения температуры моющего раствора используется термопреобразователь сопротивления поз. ТЕ-3а. К этому преобразователю подключен модуль дискретного ввода АI8231−1ВD60.Контролер вырабатывает управляющий сигнал, который подаётся с платы дискретного вывода на пусковую аппаратуру клапана 1е (поз. HS-3 В, NS -3б).

Для измерения уровня моющего раствора в сборнике 1 используется буйковый преобразователь уровня. Данный уровнемер состоит из буйка, находящегося непосредственно в среде и преобразователя поз. LT-9а. При изменении уровня жидкости происходит смещение буйка, которое приводит к повороту торсионной трубки. На выходе преобразователя формируется унифицированный электрический сигнал (4−20 мА).

Для измерения расхода моющего раствора в трубопроводе установлена измерительная диафрагма поз. FE-5а. Перепады давлений на этой диафрагме измеряются дифманометром FT-5б. На выходе дифманометра формируется унифицированный токовый сигнал (4…20 мА) который подается на вход модуля аналогового ввода АI 8231−1ВD60 контроллера АDАМ 8000. Этот модуль предназначен для ввода унифицированного токового сигнала 4…20 мА. Далее сигнал обрабатывается и передается для отображения изменений уровня в реальном времени на экране ЭВМ.

Для измерения расхода щёлочи и пара поступающей в смеситель установим расходомер переменного перепада давления Метран -350 с электрическим выходом 4−20 мА поз. 4а и 6а.

Для измерения давления пара и воды на входе в смеситель используются манометр общего назначения А-052 поз.7а и 8а.

Для измерения уровня моющего раствора в сборнике 1 используется уровнемер волновой Метран 3300 поз 9а.

Для реализации автоблокировки мешалки при отключении воды, мы производим измерение давления воды в трубопроводе при помощи преобразователя давления поз.7а. При отсутствии давления, подаётся сигнал на цифровой вход DI 8221−1BF00. Контролер вырабатывает сигнал на отключение двигателя мешалки (поз. NS-7 В и поз. HS-7г).

3. Обоснование выбора средств автоматизации При выборе приборов и технических средств автоматизации необходимо учитывать характер технологического процесса, условия пожарои взрывоопасное, токсичность и агрессивность окружающей среды; параметры и физико-химические свойства измеряемой среды; дальность передачи сигналов информации от места установки измеряемых преобразователей до пунктов контроля и управления. Требования к качеству работы системы автоматического контроля включают в себя основные метрологические данные: точность измерения; порог чувствительности; быстродействие системы.

Для измерения температуры выбран термопреобразователь сопротивления с унифицированным выходным сигналом ТСМУ Метран-274. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на изменении электрического сопротивления полупроводников или проводников с изменением температуры. Зависимость сопротивления от температуры определяется номинальной статической характеристикой (НСХ). Зная эту зависимость, можно по значению сопротивления определить температуру среды, в которую помещен термопреобразователь сопротивления.

Исходные данные. Максимальное рабочее значение температуры воды t=75°С, максимальное допустимая погрешность измерения преобразователя Дt=±1°С. Среда неагрессивная, не разрушающая материал защитной арматуры.

Проверим, обеспечивает ли выбранный выше термопреобразователь требуемую по условии точность измерения:

А=±(0,3+0,005· ?t?=± (0,3+0,005· 75) = 0,67°С.

Так как пределы Дt не превышают по модулю пределов максимально допустимой погрешности измерений Дt=±1°С, то выбранный термопреобразователь обеспечивает требуемую точность измерения.

Термопреобразователи сопротивления с унифицированным выходным сигналом предназначены для измерения температуры нейтральных и агрессивных сред, по отношению к которым материал защитной арматуры является коррозионностойким. Чувствительный элемент первичного и встроенный в головку датчика измерительный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный входной сигнал, что дает возможность построения АСУТП без применения нормирующих преобразователей. Термопреобразователи характеризуются линейной зависимостью сигнала от температуры.

Для измерения давления выбран манометр общетехнический серии 10.

Исходные данные. Максимальное рабочее значение давления 150кПА.

150/(¾)=200кПА, выбираем верхний предел измерения не более 200кПА и шкалу и шкалу 0−0,25МПА.

Это манометр применяется для измерения давления не агрессивных к медным сплавам жидких и газообразных, не вязких и не кристаллизующихся сред температурой до 150 °C.

Для измерения расхода выбран расходомер переменного перепада давлений Метран-350.

Расходомеры модели Метран-350 предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отрослях промышленности, а также в системах коммерческого учета жидкостей, пара и газов. Основные преимущества: простая установка в трубопровод через одно отверстие; установка в трубопровод без остановки процесса (специальная конструкция); минимальная вероятность утечек измеряемой среды; более низкие потери давления и меньшие длины прямолинейных участков по сравнению с расходомерами на базе сужающихся устройств; существенное снижение стоимости монтажа и обслуживания благодаря интегральной конструкции; легкость взаимодействия с существующими контрольными системами или вычислителями расхода посредством интеллектуального протокола коммуникаций HARTи Modbus; простота перенастройки диапазона; высокая надежность, отсутствие движущихся частей. Измеряемые среды: газ, пар, жидкость. Пределы основной допускаемой относительной погрешности измерений массового (объемного) расхода до ±1%.

Для измерения уровня используется волновой уровнемер Метран-3300.

Волновой уровнемер серии 3300-это интеллектуальные приборы, построенные на основе волноводной технологии и обеспечивающие надежные измерения уровня жидкостей. Основные достоинства: точность измерений не зависит от диалектической проницаемости, плотности, температуры, давления и pH. Измеряемые среды: жидкие. Диапазон измерения уровня от 0,1 до23,5 м.Выходной сигнал: 4…20 мА с цифровым сигналом на базе HART-протокола. Погрешность измерений уровня ±5ммПринцип действия волноводных уровнемеров основан на технологии рефлектометрии с временным разрешением. Микроволновые радиоимпульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду, уровень нужно определить. Когда радиоимпульс достигает среды с другим коэффициентом диэлектрической проницаемости, из-за разности коэффициентов диэлектрической проницаемостивоздуха и жидкости происходит отражение микроволнового сигнала в обратном направлении. Временной интервал между моментом передачи зондирующего импульса и моментов приема эхо-сигнала пропорционален расстоянию до уровня контролируемой среды.

Выбираем регулирующие клапаны.

Электрические и пневматические регулирующие клапаны Samson 240.

Типовой ряд регулирующих клапанов включают в себя пневматические и электрические проходные, трехходовые и угловые клапаны. Они применяются для выполнения задач регулирования и управления в технологических и промышленных установках. Блочный принцип конструкции обеспечивает простоту оснащения дополнительными устройствами и удобство обслуживания. Регулирующие клапаны состоят из клапана и сервопривода. Они могут быть снащены, по выбору, пневматическими, электрическими или электрогидравлическими приводами, а также ручными приводами. Для управления и сигнализации хода к клапану могут быть пристроены периферийные устройства, такие как позиционеры, конечные выключатели и магнитные клапаны. Для изготовления корпусов клапанов используются серый чугун, чугун с шаровидным графитом, стальное литье, коррозионностойкая или холодостойкая литая сталь, кованая сталь или коррозионностойкая кованая сталь и специальные материалы. При полностью коррозионностойком исполнении все детали клапана и корпус пневматического привода выполняются из коррозионностойкой стали.

Принцип работы сигнализатора Echotel 910 заключается в использовании двух кристаллов для «передачи-приёма». Электрический сигнал преобразуется в энергию ультразвука и передаётся через зазор к кристаллу-приемнику. Если в зазоре имеется воздух, то энергия ульразвука не будет получена приемником. Если в зазоре имеется жидкость, то энергия ульразвука преодолеет зазор и приведёт в действие реле.

Выбираем:

Тип 3347. Клапан для пищевой промышленности с электрическим приводом.

Угловой клапан для пищевой и фармацевтической промышленности, а также для биохимических технологий, с присоединительными концами под приварку, резьбовое соединение или зажим С1атр.

Условный диаметр Ду =15… 120 мм.

Условное давление Ру=16 бар.

Диапазон температур −10…+150 °С.

В качестве управляющей аппаратуры были выбраны кнопочные станции ПК-222 и магнитные пускатели марки ПМ-222.Для сигнализации граничных значений выбираем светосигнальную арматуру АМЕ-380 с красным светофильтром.

В качестве вторичного прибора выбран прибор СОСНА-002.

«Сосна-002» — щитовой прибор с числом независимых каналов измерения и регулирования от 1 до 6 — предназначеный для измерения и регулирования технологических параметров (температура, давление, уровень и др.) контролируемых объектов в различных отраслях народного хозяйства.

ИР работает со следующими первичными преобразователями:

термопреобразователи сопротивления (ТС) типа ТСМ и ТСП;

преобразователи термоэлектрические (ТП) типов ТХК, ТХА, ТЖК и ТПП;

измерительные преобразователи с унифицированными токовыми сигналами (ИП) с диапазонами 0…5 мА, 0…20 мА и 4…20 мА;

измерительными преобразователями влажности.

ИР может реализовывать различные алгоритмы управления, сигнализации и защиты контролируемого технологического оборудования.

4. Выбор контроллера и модулей ввода/вывода В качестве управляющего контроллера по справочному пособию /1/ выберем контроллер АDАМ-8000 производитель Аdvantech. Это микроконтроллер, предназначенный для создания на его основе автономных систем сбора данных и управления. Он предназначен для использования в системах промышленной автоматизации с повышенными требованиями к надежности оборудования и к временным параметрам контуров управления. Контроллер может работать в промышленных сетях МРI, Рrofibus-DР, МоdBus ТСР и САN. Программировать контроллер можно как с помощью стандартного пакета SimaticManager с языком программирования Stер7, так и с помощью недорогих программных пакетов с ограниченной функциональностью АDАМ-WINPLС7 и АDАМ-WINNCS. Серия АDАМ-8000 предоставляет возможности распределенного ввода-вывода при автоматизации технологических процессов, создании промышленных коммуникаций на производстве.

Микроконтроллер состоит из двух основных частей: базового блока и модулей ввода/вывода. Базовый блок включает в себя процессор с самостоятельным РLС контроллером АDАМ-8214−1ВА01, процессор с Еthernet интерфейсом: АDАМ-8214−1ВТ01; встроенный источник постоянного напряжения 24В; интерфейс передачи данных — МР2I; светодиодный индикатор состояния для режимов работы и диагностики; внешнюю карту памяти.

Характеристики процессорного модуля приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Характеристики процессорного модуля.

Выбор модулей ввода/вывода. В соответствии с функциональной схемой автоматизации необходимо 5 каналов аналогового ввода рассчитанных на унифицированный токовый сигнал 4…20 мА. Один сигнал от термопреобразователей сопротивления позиция ТЕ-3а, два сигнала от датчиков положення GE-2,GE-4, 1 канал для ввода сигнала от уровнемера позиции LТ-9б, 3 канал для ввода сигнала от расходомера позиции.

FТ-5б, FТ-5 В FТ-6б, 2 канала для датчика давления позиция PT-7a, PT-8a.Для реализации этих каналов используем модуль аналогового ввода АDАМ-8231−1ВD60. Данный модуль имеет 4 аналоговых входа, тип входного сигнала 4−20 мА. Используем 2 модуля.

Необходимо 4 канала для подключения магнитных пускателей позиции NS-1г, NS-3 В, NS-7б, Ns-7 В.так же необходим 1 канал для реле температуры позици я TA-10.Используем модуль дискретного ввода АDАМ-8221−1ВF00. Данный модуль имеет 8 дискретных входов. Входное напряжение 24 В. Используем 1 модуль.

Для реализации управления магнитными пускателямипозиции NS-1 В, NS-3г, NS-8 В, NS-12а, и включения/выключения свето-сигнальной аппатуры HL1 необходимо 7 каналов дискретного выводаАDАМ-8221−1ВF10. Данный модуль имеет 8 дискретных входов. Входное напряжение 24 В, выходной ток 1А. Используем 1 модуля. Привязку сигналов контроллера к датчикам и исполнительным механизмом представим в виде таблицы 2.

Таблица 2 — Входы и выходы контроллера.

Заключение

В ходе проведённой работы над курсовой работой ознакомились с принципами построения современных систем автоматизации технологических процессов и построили функциональную схему автоматизации процесса получения моющего раствора, реализованную на базе промышленных контроллеров и ЭВМ.

В ходе выполнения курсовой работы были решены следующие задачи:

1)ознакомились с методикой разработки функциональных схем автоматизации процессов получения моющего раствора на базе серийно выпускаемых приборов и промышленных контроллеров;

2) ознакомились с характеристиками современных приборов и средств автоматизации;

3) изучили основные подходы к обоснованному выбору приборов и технических средств автоматизации;

4) изучили действующие стандарты и другие нормативные документы, регламентирующие правила оформления технической документации по автоматизации технологических процессов.