Введение
Основной целью совершенствования любогопроизводственного процесса в различных отраслях народного хозяйства в настоящеевремя является достижение максимального производственного эффекта, т. е.увеличения производительности оборудования, повышения качества готовойпродукции при минимальных затратах труда, сырья и энергии. Для выполнения этойзадачи разрабатывается новая технология, новое прогрессивное оборудование,преимущественно непрерывного действия, на базе которого формируются непрерывнопоточные технологические линии высокой производительности. При этомодновременно решаются вопросы комплексной механизации вспомогательных итранспортных операций. Для обеспечения оперативного контроля и управлениятакими технологическими процессами применяют автоматические приборы контроля иустройства, позволяющие снизить долю ручного труда в управлении работой машин иаппаратов, а так же разрабатывают соответствующую им систему управления.
В настоящее время автоматизация производственныхпроцессов развивается в двух направлениях: первое — создание систем локальнойавтоматизации технологических процессов, которые, как правило, обеспечиваютстабилизацию заданных рабочих режимов путем поддержания постоянными илиизменяющимися по заданной программе параметров процесса; второе — созданиеавтоматизированных систем управления технологическими процессами ипроизводством в целом с применением персональных компьютеров (ПК). Применениеавтоматизированных систем управления с использованием ПК, математических моделейи экономико-математических методов повышает уровень организации производства иоперативности взаимодействия персонала с технологическим оборудованием. Врезультате этого появляется возможность перехода к оптимизированным режимамтехнологических процессов, что увеличивает производительность оборудования,повышает эффективность использования сырья и материалов, а также предотвращаетаварийные ситуации. Качество готовой продукции улучшается, ее характеристикистабилизируются.
Решение проблемы увеличения производства удобрениясвязано не только с улучшением старой технологии, но и, главным образом, сразработкой принципиально новых методов переработки сырья, обеспечивающихнаиболее полное использование его, уменьшение потерь, повышение выхода икачества готовой продукции, расширение ее ассортимента, снижение расходаэнергоресурсов в технологических процессах. Эти обстоятельства потребуютсоздание новых методов измерения и приборов для автоматического контроля ирегулирования параметров технологических операций, технических средствавтоматизации для поддержания оптимальных режимов работы оборудования ицентрализованного автоматизированного управления производственными процессами.
Исходя из сказанного, основной задачей в областиорганизации производства химической промышленности на ближайший период являетсясоздание автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и автоматизированных систем управления производством в целом (АСУП).
В этих условиях особо важное значение приобретаетподготовка квалифицированных кадров, способных умело эксплуатироватьсовременное оборудование, эффективно использовать автоматические устройства исистемы автоматизации, участвовать в их совершенствовании.
1. Описание технологической схемы процесса
Исходное сырье из емкости 1 насосом 2 направляется вколонну 3. Колонна 3 обогревается кипятильником 4. Пары из верха колонны черезвоздушный конденсатор 5 поступают в отстойник 6. Верхний углеводородный слойнасосом 7 частично возвращается в колонну 3, остальная часть идет на дальнейшуюпереработку. Кубовая жидкость насосом 9 подается в колонну 8 (под вакуумом).Пары колонны через конденсаторы 10, 11 стекают в емкость 13, откуда насосом 12часть их возвращается в колонну 8 на орошение, остальная часть идет на переработку.Кубовая жидкость подается также на переработку.
2. Выбор и обоснование параметров контроля
Контролюподлежат те параметры, по значениям которых осуществляется оперативноеуправление технологическим процессом, а также его пуск и остановка. К таким параметрамотносятся все режимные и выходные параметры, а также входные параметры, приизменении которых в объект будут поступать возмущения. Обязательному контролюподлежат параметры, значения которых регламентируются технологической картой.
Контролюподлежат все регулируемые параметры:
1 Уровень исходного сырья в емкости1;
2 Давление и температура в колоннах3 и 8;
3 Расход флегмы после насосов 7 и12;
4 Расход кубовой жидкости,подаваемой насосом 9 в колонну 8;
5 Температура и давление греющегопара.
Контрольрасхода смеси необходим для расчета технико-экономических показателей.
Сигнализацииподлежат все параметры, изменения которых могут привести к аварии, несчастнымслучаям или серьезному нарушению технологического режима. К ним относятся:
1 Уровень исходного сырья в емкости1;
2 Уровень в емкостях 1 и 13;
3 Температура продукта в колоннах 3и 8;
Оперативныйтехнологический персонал при оповещении его устройствами сигнализации онежелательных событиях должен принять соответствующие меры по их ликвидации.Если эти меры окажутся не эффективными и параметр, характеризующий состояниеобъекта управления достигнет аварийного значения, должны сработать системыпротивоаварийной защиты, которые автоматически по заданной программеперераспределяют материальные и энергетические потоки, включают и отключаютаппараты объекта с целью предотвращения взрыва, аварии, несчастного случая,выпуска большого количества брака.
Схемаподлежит защите при отклонении следующих параметров:
· повышение температуры в колонне 3 ;
· повышении или понижение давления вколоне 8;
Защитазаключается в автоматическом прекращении подачи исходной смеси в систему приотклонении любого из вышеперечисленных параметров.
3. Выбор и обоснование параметров регулирования, управляющих воздействийи схем
Извсех параметров характеризующих процесс, необходимо выбрать те, которыеподлежат регулированию и изменением которых целесообразно вносить регулирующеевоздействие. Для этого необходимы результаты анализа целевого назначенияпроцесса.
Исходяиз результатов анализа выбирают критерий управления, его заданное значение ипараметры, изменением которых наиболее целесообразно на него воздействовать.Последнее осуществляется на основе статических и динамических характеристикпроцесса, дающих представление о взаимозависимости параметров.
Показателемэффективности работы системы является температура и давление (разрежение) вколоннах 3 и 8.
Наних действуют следующие возмущения:
1 температура греющего пара;
2 изменение расхода подаваемого в колонныпродукта;
3 температура окружающей среды;
Впроекте используются следующие САР (Системы автоматического регулирования):
1 САР расхода флегмы в колонны 3 и 8;
2 САР расхода продукта, подаваемогов колонну 8; 4. Выбор и обоснование технических средств регулирования, контроля, защиты и блокировки
Дляизмерения давления продукта в верхней части колонн 3 и 8 выбираем:
Для контроля давления в нижней и верхней части колоннвыбираем:
Интеллектуальные датчики давления серии Метран-100 производитель-промышленная группа «Метран». Россия г.Челябинск
Интеллектуальные датчики давления серии Метран-100предназначены для измерения и непрерывного преобразования в унифицированныйаналоговый токовый сигнал и/или цифровой сигнал в стандарте протокола HART следующихвходных величин:
— избыточного давления (Метран-100-ДИ);
— абсолютного давления (Метран-100-ДА);
— разности давлений (Метран-100-ДД);
— гидростатического давления (Метран-100-ДГ).
Управление параметрами датчика:
— кнопочное со встроенной панели;
— с помощью HART-коммуникатора или компьютера.
Измеряемые среды: жидкости, пар, газ, в т.ч. газообразныйкислород и кислородосодержащие газовые смеси; пищевые продукты Диапазонизмеряемых давлений:- 0-1 МПа;
Основная погрешность измерений до ±0,1% от диапазона.
Исполнение: – взрывозащищенное (Ех, Вн);
Выходной сигнал 4-20 mA
Напряжение питания 12-42 в
Для контроля давления в колонне 8 (разрежение)–применим Метран 100 ДВ с датчиком разрежения 1233.
Для колонны 3 – Метран 100 ДИ с датчиком 1133.
Дляизмерения расхода принимаем прибор:
Promag33–Электромагнитный расходомер фирмы Endress+Hauser со следующими характеристиками:
Степень защиты IP 67(EN 60529), NEMA 4X
Окружающая температура-20...+60 оС
Ударо- и вибростойкость:Ускорение до 2 g / 2 ч в день; 10...10 Гц
(полнаяизмерительная система)
Кабельныевводы Питающий и сигнальный кабели (выходы) PG 13.5 кабельные вводы (5...15 мм)или NPT 1/2".
Питание85...260 В АС, 45...65 Гц 20...55 В АС, 16...62 В DC
Потребляемая мощность: АС:
Электрическая изоляция: Вход ивыходы электрически изолированы от питания, от сенсора и между собой.
Токовый выход 0/4...20 мА,возможность настройки, электрически изолирован, RL
(сHART не менее 250 Ом), выбор постоянной времени, задание конечного значенияшкалы.
Импульсный/частотныйвыход.
Взрывозащищенное исполнение:
Компактноеи раздельное исполнение для: CENELEC: EEx d/de Ex-zone2: VDE 0165
Надежность работы:
Функцияполного самоконтроля измерительной системы обеспечивает высокую ее надежность.Любые системные ошибки (ошибка по току катушки, ошибки усилителя, DAT,EEPROM,ROM, RAM) или возможные сбои питания, немедленно отображаются черезсконфигурированный релейный выход 1.
Соответствующеесообщение об ошибке отображается на дисплее трансмиттера. C помощью функциидиагностики можно просмотреть любые имеющиеся сбои и определить их причину.
Присбое питания, все данные измерительной системы надежно сохраняются в памятиEEPROM (не требующей батарей).
Измерительнаясистема Promag 33 полностью удовлетворяет требованиям по безопасности EN 61010«Меры защиты электрического оборудования для измерений, управления,регулирования и лабораторных процедур», требованиям по электромагнитнойсовместимости (EMC) согласно EN 50081 Часть 1 и 2 / EN 50082.
Дляизмерения уровня в емкостях 1, 6 и 13 применяем:
Измеритель уровня емкостной LiquicapMтипа FMI51Изготовитель-Endress+Hauser GmbH+Co. KG(Германия) с маркировкой взрывозащиты ExiaIIB/НС Т3
Измеритель уровня Liquicap M предназначен дляизмерения уровня жидкостей. Измеритель уровня относится к взрывозащищенномуэлектрооборудованию группы II по ГОСТР 51330.0 и предназначен для применения вовзрывоопасных зонах в соответствии с присвоенной маркировкой взрывозащиты. Основныетехнические данные:
Взрывоопасные смеси по ГОСТ Р 51330.11.категории НА,ИВ, ПС группы Т1… Т6
Вид взрывозащиты-искробезопасная электрическая цепьуровня ia взрывонепроницаемая оболочка
Маркировка взрывозащиты.- lExd[ia]IIB/IICT3...T6 илиExiaIIB/ИСТЗ… Т6
Степень защиты оболочки по ГОСТ 14254.- IP65
Степень защиты от поражения электрическим током поГОСТ 12.2.007.0.- класс III
Электрические параметры:
— напряжение питания, В -не более 37
— потребляемая мощность, Вт. -не более 1
Таблица 1 –Параметры искробезопасной электрическойцепиЭлектронный модуль Ui,B Ii, мА Pi, Вт Ci, нФ Li, мкГн FEI50Н 30 120 1 2,4 мала FEI57C 19.2 108 1 2,4 мала
контроль регулирование датчиктермопреобразователь
Условия эксплуатации:
— температура окружающей среды, °С -50 до +70
— температура технологической среды, °С -80 до+200
Для контроля температур в колоннах 3 и 8:
Термопреобразователи ТМ-9201 со встроеннымпреобразователем.
Производитель ООО НПФ «Сенсорика» [1]
Предназначены для измерения температуры газообразных,жидких, сыпучих веществ, не разрушающих материал защитной арматуры.Используются в системах автоматизированного контроля и регулирования наобъектах энергетики, нефтяной, газовой, горнодобывающей и других отрасляхпромышленности. Обеспечивают непрерывное преобразование температуры вунифицированный выходной сигнал 4..20 мА по 2-х проводной схеме.
Датчик состоит из первичного термопреобразователя иизмерительного преобразователя, который монтируется в головку типа АГтермопреобразователя.
Диапазон измеряемых температур, °С (0 /> 150)
Номинальная статическая характеристика (НСХ):- 100М;
Погрешность: предел допускаемой основной погрешностине более 0,5%
Количество чувствительных элементов: 1;
Преобразователь имеет линейно возрастающуюхарактеристику выходного сигнала. Зависимость между входным током итемпературой термопреобразователя сопротивления определяется формулой:
Iвых= 4+16·(Т–Тмин)/(Тмах–Тмин)
где Iвых — значение выходного тока, мА;
Т — значение температуры, °С;
Тмах,Тмин — верхний и нижний пределы преобразования температур
Для управления подачи продукта в САР расхода предлагаюиспользовать в качестве регулирующего органа:
Электропневматический позиционер IP8000
Электропневматический позиционер линейного иповоротного типа. Предназначен для пропорционального управления перемещениемисполнительных механизмов, приводами регулирующей арматуры.
·Устойчив к ударным и вибрационнымнагрузкам
·Высокая точность позиционирования
·Стабильное управление дажемалогабаритными исполнительными устройствами
·Возможность установки на различныетипы пневмоприводов
·Взрывозащищенное(IР8*00-000-Х14) инизкотемпературное взрывозащищенное (IP8*00-000-X14-L) исполнения
·Исполнение с датчиком положения,выход 4-20 мА (IP8100-001 -J)
Для питания всех приборов, установленных по местуведения технологического процесса выбираем: Блоки питания БП Карат -22,производитель «Метран», г.Челябинск.
Блоки питания БП Карат-22 осуществляют преобразованиенапряжения 220 В переменного тока в стабилизированное напряжение постоянноготока 36 В (24 В) для питания датчиков.
Технические характеристики:
• Выходное напряжение 24 или 36 В
• Класс стабилизации — 0,2
• Питание (220/>) В, (50/>1) Гц
• Потребляемая мощность, ВА:
15 — для одноканального исполнения;
26 — для двухканального исполнения;
32 -для четырехканального исполнения;
60- для восьмиканального исполнения.
В качестве прибора регулирования, регистрации,сигнализации и сбора данных предлагаю использовать:
Программируемый контроллер SIMATIC S7-300 фирмы Siemens.
SIMATIC S7-300 — это модульный программируемый контроллер,предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степенисложности.
Модульная конструкция, работа с естественнымохлаждением, возможность применения структур локального и распределенноговвода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций,поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации иобслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений дляпостроения систем автоматического управления в различных областях промышленногопроизводства.
Эффективному применению контроллеров способствуетвозможность использования нескольких типов центральных процессоров различнойпроизводительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных ианалоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.
Контроллеры SIMATIC S7-300имеют модульную конструкцию и могут включать в свой состав:
Модуль центрального процессора (CPU).В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут бытьиспользованы различные типы центральных процессоров, отличающихсяпроизводительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенныхвходов-выходов и специальных функций, количеством и видом встроенныхкоммуникационных интерфейсов и т.д.
Модули блоков питания (PS),обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного токанапряжением 120/230В или от источника постоянного тока напряжением24/48/60/110В.
Сигнальные модули (SM),предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов с различнымиэлектрическими и временными параметрами.
Коммуникационные процессоры (CP) дляподключения к сетям PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-Interface или организации связи по PtP (pointto point) интерфейсу.
Функциональные модули (FM), способныесамостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования,обработки сигналов. Функциональные модули снабжены встроенным микропроцессороми способны выполнять возложенные на них функции даже в случае отказацентрального процессора ПЛК.
Интерфейсные модули (IM),обеспечивающие возможность подключения к базовому блоку (стойка с CPU)стоек расширения ввода-вывода. Контроллеры SIMATIC S7-300 позволяют использовать в своем составе до 32сигнальных и функциональных модулей, а также коммуникационных процессоров,распределенных по 4 монтажным стойкам. Все модули работают с естественнымохлаждением.
Центральные процессоры S7-300C оснащены набором встроенных входов и выходов, а такженабором встроенных функций, что позволяет применять эти процессоры в качествеготовых блоков управления.
Выбираем следующие модули:
Модуль с релейными выходами SM322; DO8 \ 230 VACREL.
Характеристики
Модуль с релейными выходами S.M 322; DO 8 х 230 VACRHL имеет следующие характеристики:
• 8 выходов, изолированных группами по 2
• номинальное напряжение на нагрузке от 24 В пост.тока до 120 В пост. тока, от 48 В персы, тока до 230 В перем. тока
• пригоден для соленоидных вентилей, контакторов,пускателей переменного и постоянного тока, электродвигателей мощностью до 1 л.с. и индикаторных ламп.
Данные для выбора исполнительныхустройств:
Непрерывный тепловой ток макс. 3 А
Цепь, параллельная контакту (внутренняя) –Варистор SIOV-CU4032К275 Частота переключения:
• механическая– макс. 10 Гц
• активная нагрузка– макс. 2 Гц
• индуктивная нагрузка по IEC947-5-l, DC 13/AC 15 –макс. 0,5 Гц
• ламповая нагрузка –макс.2 Гц
/>
Рис.1– Принципиальная схема модуля с релейными выходами SM 322; DO 8\ 230 VAC REL
Выбираем 6 аналоговых двухканальных модуляввода SM331;AI2xl2Bit
Характерные особенности
Аналоговый модуль ввода SM331; AI2 х 12 Bit имеет следующие характерныеособенности:
• Два входа в одной группе каналов
• Разрешение измеряемого значения (взависимости от установленного времени интегрирования)
• 9 битов+ знак
• 12 битов+знак
• 14 битов+знак
• Вид измерения, выбираемый для группыканалов:
напряжение ток
сопротивление температура
• Произвольный выбор диапазона измеренийна группу каналов
• Программируемая диагностика
• Программируемое диагностическоепрерывание
• Один канал с контролем границ
• Программируемое прерывание при переходеграницы
/>
Рис.2– Принципиальная схема аналогового модуля ввода SM331; AI 2 12Bit
Продолжениетаблицы 2 ± 1000 мВ: /10МОм
± 2,5 В: /100 кОм ± 5 В; /100 кОм от 1 до 5 В; /100 кОм ± 10В: /100 кОм • Ток ± 3,2 мА; 25 Ом ± 10 мА; 25 Ом
± 20 мА; 25 Ом от 0 до 20 мА; 25 Ом от 4 до 20 мА; 25 Ом • Сопротивление 150 Ом: /10МОм 300 Ом: /10МОм 600 Ом: /10МОм • Термопары Тип Е, N, J, К, L /10МОм
Процессорный модуль–CPU 312 характеризуется следующими показателями:
Микропроцессор;
200-400 нс на выполнение бинарной инструкции.
Рабочая память объемом 32 Кбайт, RAM (приблизительно10 K инструкций);
для выполнения загруженной секции программы и храненияоперативных данных. Микро карта памяти (до 4 Мбайт), используемая в качествезагружаемой памяти, а также сохранения архива проекта (с комментариями итаблицей символов), архивирования данных и управления рецептами.
Гибкие возможности расширения;
подключение до 8 модулей S7-300 (1-ряднаяконфигурация).
Интерфейс MPI;
позволяет устанавливать одновременно до 6 соединений спрограммируемыми контроллерами S7-300/400, программаторами, компьютерами ипанелями операторов. Одно из этих соединений зарезервировано для PG-, одно — для OP функций связи. MPI позволяет создавать простейшие сетевые структуры собъединением до 16 центральных процессоров и поддержкой механизма передачиглобальных данных.
Парольная защита доступа;
для защиты от несанкционированного доступа к программепользователя
Буфер диагностических сообщений;
хранит 100 последних сообщений об ошибках
Необслуживаемое сохранение данных;
при перебоях в питании контроллера центральныйпроцессор автоматически сохраняет текущие данные и использует их послевосстановления напряжения питания.
Программируемые параметры и свойства
Из среды STEP 7 могут настраиваться следующиепараметры и свойства центрального процессора:
Интерфейс MPI;
определение адреса станции.
Параметры рестарта/цикла выполнения программы;
определение максимального времени сканированияпрограммы, перезапуска и выполнения функций самодиагностики.
Объем реманентной области памяти;
Определение объема данных (количества битов памяти,таймеров, счетчиков и блоков данных), сохраняемых при перебоях в питанииконтроллера.
Тактовые биты;
установка адреса.
Уровень защиты;
установка прав на доступ к программе и данным.
Системная диагностика;
установка порядка обработки диагностических сообщений.
Периодические прерывания;
установка периода повторения прерываний.
Прерывания по дате и времени;
установка стартовой даты и времени, а также периодаповторения прерываний.
Информационные функции и функции отображения
Отображение состояний и ошибок;
светодиодная индикация, отображение программныхошибок, ошибок по времени, ошибок ввода-вывода, режимов работы RUN/STOP,рестарта и т.д.
Функции тестирования;
в процессе выполнения программы программатор позволяетотображать состояния сигналов, модифицировать и считывать значения переменных,получать доступ к содержимому стека.
Информационные функции;
с помощью программатора можно получить информацию обобъеме памяти и режимах работы центрального процессора, объеме занятой исвободной памяти, текущем времени цикла выполнения программы, просмотретьсодержимое буфера аварийных сообщений в текстовом формате.
Встроенные коммуникационные функции
PG/OP функции связи
Обмен глобальными данными через MPI
Функции стандартной S7 связи
S7 функции связи (только сервер)
Системные функции
Центральный процессор поддерживает широкий спектрфункций диагностики, настройки параметров, синхронизации, аварийнойсигнализации, измерения временных промежутков и т.д.
Заключение
Спомощью измерений получают информацию о состоянии производственных,экономических и социальных процессов. Измерительная информация служит основойдля принятия решений о качестве продукции при внедрении систем качества, внаучных экспериментах и т.д. И только ее достоверность и точность обеспечиваютправильность решений на всех уровнях управления.
Эффективноесотрудничество с другими странами, совместные разработки научно-техническихпрограмм (например, в области освоения космоса, медицины, охраны окружающейсреды и т. д.), дальнейшее развитие торговых отношений требуют взаимногодоверия к измерительной информации, являющейся, по существу, основным объектомобмена при совместном решении научно-технических проблем, основой взаимныхрасчетов при торговых операциях, заключении контрактов на поставку материалов,изделий, оборудования. Создание единого подхода к измерениям гарантирует взаимопонимание,возможность унификации и стандартизации методов и средств измерений, взаимногопризнания результатов измерений и испытаний продукции в международной системетоварообмена.
Дляколичественного определения (измерения) того или иного параметра, характеристикипродукции, процесса, т. е. любого объекта, необходимо следующее: выбратьпараметры, которые характеризуют интересующие нас свойства объекта; установитьстепень достоверности, с которой следует определять выбранные параметры, атакже допуски, нормы точности и т. д.; выбрать методы и средства измерений длядостижения требуемой точности; обеспечить готовность средств измеренийвыполнять свои функции привязкой средств измерений к соответствующим эталонам(посредством периодической проверки, калибровки средств измерений); обеспечитьучет и создание требуемых условий для проведения измерений, обработкурезультатов измерений и оценку характеристик погрешностей.
Список литературы
1. Кирпичников П. А., Берсенев, В. В. Попова Л. М.«Альбом технологических схем основных производств промышленности синтетическогокаучука.» Учебное пособие для вузов. — 2-е изд., перераб. — Л.: Химия, 1986 —224 с. ил.
2. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения иприборы. Издательство «Энергия», 1978 г.
3. «Сенсорика.Перечень выпускаемой продукции. Датчики,контрольно-измерительные приборы, средства автоматизации.» Екатеринбург 2007 г.
4. Уим Ван де Камп. «Теоретические и практические аспектыизмерения уровня.» Москва 2006 г.
5. Электрические измерения. Учебник для вузов. Подред. Фремке А.В. Издательство «Энергия», 1980 г.
6. Основы метрологии и электрические измерения..Учебник для вузов. Под ред. Душина Е.Д. Издательство «Энергия», 1980 г.
7. www.proavtomatika.ru
8. www.siemens.com