Проект автоматизации процесса сгущения пульпы золотоносной руды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Технико-экономическое обоснование
• 2. Специальная часть
• 2.1 Характеристика объекта автоматизации
• 2.2 Алгоритмы режимов технологического процесса
• 2.3 Анализ существующей структуры управления
• 2.4 Выводы и задачи проекта
• 2.5 Организационная, функциональная и техническая структура системы управления
• 2.6 Выбор информационного, математического и программного обеспечения
• 2.7 Монтаж и эксплуатация систем автоматизации
• 2.8 Пояснения к графической части
• 3. Безопасность и экологичность проекта
• 3.1 Производственная безопасность
• 3.2 Производственная санитария и гигиена труда
• 3.3 Противопожарные мероприятия
• 3.4 Экологичность проекта
• 4. Основные технико-экономические показатели проекта
• 4.1 Расчет эффективного фонда времени
• 4.2 Расчет годовой производительности оборудования
• 4.3 Расчет капитальных вложений
• 4.4 Расчет списочной численности работающих
• 4.5 Определение изменений себестоимости продукции
• 4.6 Определение показателей экономической эффективности
• 4.7 Годовой экономический эффект
• Заключение
• Библиографический список
• Введение
• Современное промышленное производство не возможно без автоматизации.
• Автоматизация - это применение комплекса средств, позволяющих осуществлять производственные процессы без непосредственного участия человека, но под его контролем.
• Автоматизация производственных процессов приводит к снижению себестоимости и улучшению качества продукции, повышает надежность и долговечность машин, дает экономию материалов, улучшает условия труда и техники безопасности.
• В современных производственных процессах для выработки и реализации управляющих воздействий широко применяются АСУ ТП.

Разработанная в дипломном проекте АСУ ТП производит централизованную, интегрированную обработку первичной информации со всех датчиков ЗАО «Полюс» в темпе протекания технологического процесса и используют ее для управления этим процессом. Одновременно система преобразует эту информацию в форму пригодную для использования на вышестоящем уровне управления при решении оперативно-производственных и организационно-экономических задач.

Эффективность внедрения АСУ зависит не только от степени оснащения производства техническими средствами, но и в значительной мере определяется качеством их наладки, степенью оптимальности выбранных параметров настройки регуляторов и в целом уровнем программного обеспечения.

1. Технико-экономическое обоснование

Объект автоматизации процесса сгущения пульпы на ЗАО “Полюс” предназначен для подготовки пульпы и извлечение золота. В процессе регулирования применяется программируемый контроллер для управления технологическим процессом. Измерение, контроль и регистрация параметров протекающего процесса необходимо для расчёта технико-экономических показателей, по ним ведётся отчёт о работе участка сгущения.

Модернизация должна помочь осуществить стабильное регулирование и подачу требуемого количества реагентов, в зависимости от подаваемой пульпы из отделения рудоподготовки.

Проектируемая система управления технологическим процессом реализована на технических средствах в промышленном исполнении с унифицированными выходными сигналами (4ч20 мА), что позволяет существенно снизить погрешность и повысить надежность системы.

В результате внедрения современной распределенной системы управления (на базе микропроцессорного контроллера Simens S7-400) будут достигнуты значительные преимущества:

бесперебойность процесса;

облегчение труда обслуживающего персонала;

увеличение точности поддержания заданных параметров;

повышение безопасности труда и надежности работы оборудования.

По данным экономического расчета применение средств автоматизации позволит сократить количество персонала на 9 человек, а именно 3 оператора, 3 электрослесаря, 3 слесаря КИПиА за счет возможности самоконтроля, автоматической диагностики неисправностей, регулировании мощности, и скорости обработки данных оператором. Уменьшится себестоимость продукции на 2,3 рубля за счет уменьшения фонда заработной платы производственного персонала, отчисления на социальные нужды, расходов по содержанию и эксплуатации оборудования. Выработка на одного человека увеличится до 25575т/чел. А условно-годовая экономия составит 595,6 тыс.руб.

Расчет текущих затрат проекта показан в разделе 4.

2. Специальная часть

2.1 Характеристика объекта автоматизации

Описание технологического процесса

Сгущение - это процесс обезвоживания тонкоизмельченного материала.

Операция сгущения происходит в сгустителях и разделяется на зоны:

1) зона осветленной жидкости;

2) зона свободного осаждения частиц;

3) зона уплотнения или сжатия;

4) придонная зона, в которой пульпа гребками дополнительно уплотняется и транспортируется к центру сгустителя для разгрузки сгущенного продукта.

Процесс сгущения хвостов флотации на ЗИФ-3 проводят с целью:

- доведения плотности пульпы до необходимого % твердого перед бактериальным выщелачиванием;

- отделения воды и возврата её в процесс рудоподготовки и обогащения.

В графической части на схеме функциональной АПП.000002.424 А2 представлена технология сгущения пульпы. На смеситель 1 подается известь из биоокислительного комплекса и вода с хвостохранилища. Под естественным перемешиванием из смесителя известковое молоко поступает в контактные чаны 2, 3, 4, 5, где при помощи мешалок происходит перемешивание, не давая частичкам извести осесть на дно чана. Концентрация известкового молока должна быть в пределах 7-10,5 ед.рН. Во избежание аварийной ситуации при забивании переточных труб посторонними предметами, чаны оборудованы датчиками верхнего уровня, включающими световой и звуковой сигналы при переполнении чана. Затем известковое молоко поступает в зумпф поз.6.

Получаемые на фабрике хвосты флотации самотеком поступают на сгущение, где распределяется по 2-м сгустителям поз 8-9.

Основным способом интенсификации процесса сгущения является подача реагентов в процесс с целью создания агрегатов частиц. Для сгущения пульпы создается среда со значением рН=9,5 - 10 подачей раствора полиакриламида 0,1 %, макромолекулы которого в виде длинных нитей адсорбируются на нескольких частицах минерала и связывают их в более крупные агрегаты - флокулы.

Необходимо соблюдать контроль за качеством сгущенного продукта и слива, не допускать сгущения продукта до плотности, при которой он теряет текучесть.

Сгущенный продукт насосами, поз.11-12 откачивается в зумпф поз.6 для нейтрализации известковым молоком от вредных примесей.

Биопульпа флотоконцентрата после нейтрализации направляется в гидрометаллургическое отделение (ГМО-2).

Осветленная вода насосом поз.10 перекачивается в коллектор оборотной воды для повторного использования в процессе рудоподготовки и обогащения, а также используется на другие технологические нужды.

Устранение забивки разгрузочной воронки сгустителей нужно производить водой. При недостаточной эффективности промывки допускается сброс части сгущенного продукта.

Установленные параметры и контроль процесса приведены в таблице 2.1

Характеристика установленного оборудования приведены в таблице 2.2

Таблица 2.1- Установленные параметры и контроль процесса

Сгущение Массовая доля твердого в питании Массовая доля твердого в сгущенном продукте Уровень осветленного слоя, м Расход флокулянта полиакриломида Величина рН в сливе сгустителей Объем пульпы, поступающей на сгущение Концентрация раствора полиакриломида Объем пульпы, поступающей на нейтрализацию:	% % м г/т м3/ч % м3/ч	20 45-55 0,5-1 6 9,5-10 1200-1830 0,1 1260

Таблица 2.2-Характеристика установленного оборудования

1 Сгуститель с центральным приводом Ц-30 (2 шт.), поз.8, 9
- диаметр чана, м - высота чана в центре, м - площадь осаждения, м2 - механизм подьема граблин - высота подъема граблин, м - период вращения гребкового устройства, об/мин - электродвигатель механизма подъема граблин (марка) - мощность электродвигателя механизма подъема, кВт	30 5,4 700 гидравлический 1,5 12-23 4АМ100S4 3
2 Насос песковый ГРАТ 700/40 (3 шт.), поз. 11-12
- производительность, м3/час - напор, м	700 40
3 Насос ПРВП 63/22,5 (2 шт.), поз.10
- производительность, м3/час - напор, м	63 22,5
4 Зумпф, поз.6
- объем, м3	40
5 Чан контактный КЧ-25 (4 шт.), поз.2, 3, 4, 5
- объем, м3 - диаметр, м - высота, м - мощность электродвигателя перемешивателя, кВт	25 3 12 15
6 Сборник, поз.1
- объем, м3 - диаметр, мм - высота, мм	6,3 1800 2500
7 Мерник (2 шт.), поз.7
- объем, м3	1

Устройство и принцип действия сгустителя

Питание подается в сгуститель горизонтально в центральный колодец по питающей трубе. Тяжелое в пульпе растекается радиально в чан и его частицы оседают на дно чана, откуда удаляются к центру граблинами.

Осветленный слив выводится из чана по периферии. Необходимое время для осаждения предоставляется для того, чтобы твердая часть пульпы осаждалась по мере продвижения от точки питания до окружности сбора слива. Отбор слива должен согласовываться с удельной подачей на длину окружности слива для обеспечения равномерного движения пульпы и исключения возможного возмущения движения пульпы в чане.

Любое возмущение приведет к завихрению в потоке и к выносу тяжелых частиц из сгустителя через слив.

Граблины смещают осажденную часть пульпы к центральному конусу, откуда откачивается. [85]

На рисунке 2.1 представлен сгуститель диаметром 30 метров.

Рисунок 2.1-Сгуститель диаметром 30 метров

Анализ технологического процесса как объекта управления

Главной задачей автоматизации сгущения пульпы заключается в поддержании на оптимальном уровне ряда факторов, обеспечивающих необходимый баланс между уровнем сгущенного продукта и его отбором.

Основными задачами автоматизированной системы управления технологическим процессом сгущения пульпы являются автоматическое измерение, регистрация и регулирование параметров перечисленных в таблице 2.3

Таблица 2.3-Параметры технологического процесса

Позиция по схеме	Наименование параметра	Контроль	Регулирование
		Показание	Регистрация
1-1	Стабилизация расхода воды: 572 м3/ч	+	+	+
2-1	Концентрация известкового молока в смесителе: 7-10,5 рН	+	+	+
3-1	Стабилизация расхода извести 200 м3/ч	+	+	-
4-1;5-1	Уровень в чане 1, 2 10 м	+	+	+
6-1	Концентрация в чане 1: 7-10,5 рН	+	+	+
7-1;8-1	Уровень в чане 3, 4: 10 м	+	+	+
9-1	Давление на насосе: 1,0 мПа	+	-	-
10-1	Давление на насосе: 1,0 мПа	+	-	-
11-1	Давление на насосе: 1,0 мПа	+	-	-
12-1	Уровень в прямике: 2 м	+	+	+
13-1;14-1	Уровень в прямике: 2 м	+	+	+
15-1	Расход пульпы: 1830 м3/ч	+	+	+
16-1	Расход пульпы: 1830 м3/ч	+	+	+
17-1;18-1	Доза полиакриломида: 6 г/т	+	+	-
19-1;20-1	Расход пульпы из сгустителей	+	+	+
21-1;22-1	Плотность пульпы из сгустителей	+	+	-
23-1;24-1	Давление на насосе 1 МПа	+	-	-

Основные функции проектируемой системы контроля и управления

Проектируемая система контроля и управления обеспечивает выполнение следующих функций:

1) управляющие функции, выполняемые автоматически:

- автоматическое регулирование концентрации рН в 1 чане;

- автоматическое регулирование расхода технической воды, пульпы

- автоматическое регулирование уровня в чане 1, 2, 3, 4

2) управляющие функции, выполняемые оперативным персоналом с использованием средств АСУ ТП (дистанционное управление):

- управление насосами;

- контроль отпуска дозы полиакриломида;

- контроль плотности пульпы;

- управление исполнительными механизмами задвижек, установленными на технологическом трубопроводе;

3) информационные функции, выполняемые оперативно:

- контроль данных, характеризующих текущее состояние оборудования и работы автоматических устройств при помощи SCADA-системы;

- анализ ретроспективы уровней и отклонений регулируемых параметров режима на задаваемых отрезках времени;

- информация о появлении дефектов оборудования в зоне ответственности оперативного персонала и прогноз их развития;

- регистрация и хранение обобщенной информации о характерных нестационарных режимах технологических и электрических установок;

- распознавание отказов информационных и управляющих функций, не обнаруженных системой;

4) функции, выполняемые обслуживающим персоналом АСУ ТП:

- регистрация дефектов, не обнаруженных системой;

- проверка правильности функционирования технических и программных средств АСУ ТП;

- корректировка в регламентируемых пределах динамических настроек и установок [84].

2.2 Алгоритмы режимов технологического процесса

Режимы ПУСК - ОСТАНОВ

Для пуска и останова флотомашин используется автоматический контроль таких параметров как, расход пульпы и реагентов а также уровень пульпы во флотомашинах и уровень реагентов в чане, а управляющие воздействия производятся только в ручном режиме, до тех пор, пока параметры процесса не примут установленные значения.

Режим РАБОЧИЙ

В данном технологическом процессе пульпа поступает в сгуститель, также в него из мерника дозируется расход полиакриломида . Сгущенный продукт насосами с давлением 1 МПа откачивается в зумпф. Также в зумпф из чана поступает известковое молоко с концентрацией 7-10,5рН для нейтрализации. Биопульпа флотоконцентрата после нейтрализации при помощи насосов направляется в гидрометаллургическое отделение. Известковое молоко готовится в смесителе, разбавляясь водой до 7% концентрации, далее поступает в контактный чан. Уровень в контактных чанах должен придерживаться 10 метров. Осветленный слой из зумпфа при помощи насоса перекачивается коллектор оборотной воды.

По мере начала осаждения тяжелой части пульпы в сгустителе концентрация сгущенного продукта будет увеличиваться. Начнет формироваться постель, расти ее уровень. Для нормальной работы сгустителя высота постели (сгущенного продукта) должна быть высотой, ближе к центру чана от 0,9 м до 1,2 м. Этот показатель меняется в зависимости от неравномерности питания.

Если постель не формируется, необходимо уменьшить отбор сгущенного продукта, до начала формирования постели.

При постоянном росте уровня постели, необходимо увеличить отбор сгущенного продукта сгустителя. Необходимо добиться баланса.

Режимы АВАРИЙНЫЕ

На данном объекте предусмотрены контура защиты.

При изменении уровня в чанах больше или меньше десяти метров с погрешостью 0,1 м подается светосигнал критический уровень в чанах. При отсутствии давления вследствие отказа насоса закрываются задвижки подачи биопульпы, отключается граблины и выдается светосигнал отсутствие давления в сети. Аналогично и при отсутствии в трубопроводе расхода воды, извести, биопульпы.

Вся аварийная сигнализационная аппаратура устанавливается как по месту, так и в щитовой, для улучшения визуализации. И соответственно у технолога на компьютере в SCADA системе отображаются аналогичные аварийные сигнализации.

2.3 Анализ существующей структуры управления

Существующая система управления технологическим процессом сгущения пульпы имеет двухуровневую структуру управления. Первый уровень представляет собой датчики, преобразователи, регулирующие органы и исполнительные механизмы. Второй уровень - щиты с размещением на них средств контроля и управления. Связь по схеме датчик - средство контроля и управления - исполнительный механизм, осуществляется при помощи электрических проводок.

При анализе существующей системы управления можно выделить следующие недостатки:

- недостаточность данных о протекании процессов в установке;

- большой промежуток времени между сбором информации и её обработкой;

- нет автоматической последовательности пуска и остановки процесса. Эти операции выполняются ручным и дистанционным управлением. А это требует особого внимания со стороны обслуживающего персонала;

- недостаточно контуров контроля и регулирования, и изменение одного из параметров, влечет целую цепочку нарушений других параметров, а это приводит к изменению хода технологического процесса;

- в рабочем режиме технолог вручную открывает задвижку для подачи реагентов;

- необходимо следить за уровнем известкового молока открывая и закрывая задвижку вручную;

- загрузка реагентов производится вручную, в зависимости от концентрации;

- при авариях производится поэтапная остановка технологического оборудования по причине отсутствия автоматических блокировок на трубопроводах, что в свою очередь увеличивает время останова производства;

- недостаточно сигнализируемых величин, которые дают более наглядное представление о нарушениях технологического процесса.

Существующая система управления не подвергалась модернизации очень долгое время, является устаревшей, и не отвечает современным требованиям к управлению технологическими процессами.

2.4 Выводы и задачи проекта

В результате анализа объекта автоматизации выявлены такие проблемы как нехватка приборов контроля и управления таких технологических параметров, как уровень, давление, расход, концентрация, плотность, а также «моральный» износ технических средств автоматизации.

В связи с недостатками системы необходимо создать более новую систему, отвечающую современным требованиям автоматического контроля и управления.

Задачи проекта:

- организация современной системы управления с применением комплексных технических средств;

- повышение качества управления технологическим процессом за счет внедрения распределенной автоматизированной системы управления процессом (высокая точность и быстродействие);

- выбор современных технических средств контроля с учетом технологических, системных, монтажно-эксплуатационных и экономических факторов;

- выбор информационного, математического и программного обеспечения АСУТП;

2.5 Организационная, функциональная и техническая структура системы управления

Обоснование принятой структуры управления объектом

Проектом предусматривается создание АСУТП по многоуровневой схеме управления и контроля технологического процесса с применением ПЭВМ, комплекта дистанционно управляемых модулей сбора, обработки, передачи данных и команд и комплектом датчиков и исполнительных механизмов.

Структура системы управления показана на структурной схеме комплекса технических средств (АПП.000001.424 А1).

Верхним уровнем управления технологическим процессом является автоматизированная система управления предприятием (АСУП), которая состоит из MES, ERP систем. Система управления базой данных (СУБД) - среда посредник, необходимая для хранения данных. MES, ERP системы могут черпать отфильтрованные данные из базы данных.

Уровень визуализации АСУ включает автоматизированное рабочее место (АРМ) начальника, оператора, программиста и сервер ввода/вывода построенное на базе ПЭВМ функционирующей под управлением операционной системой Microsoft Windows XP Professional. Для реализации функций верхнего уровня используется SCADA-система, In Touch. АРМ начальника, оператора подключены к промышленной сети Ethrnet через коммутатор Scalance к серверу ввода/вывода, являются терминалами для In Touch со средой исполнения Runetime. Выход на верхний уровень осуществляется через MS (Acsess). В In touch можно предусмотреть распечатку “алармов” и особо значимых параметров по расписанию. АРМ начальника имеет ограничения в правах доступа к органам управления для безопасной работы.

Рабочее место программиста к серверу ввода/вывода подсоединено через промышленную сеть PROFIBUS. Программирование осуществляется с помощью пакета STEP 7 со средой разработки, в которой можно производить:

- тестирование и диагностику сети в целом;

- пуско-наладочные работы;

- документирование проекта;

- настройку параметров сети и сетевых узлов;

- конфигурирование локального и распределенного ввода/вывода.

Связь полевого уровня с сервером ввода/вывода устанавливается через промышленную сеть PROFIBUS. Данная сеть может быть использована для организации обмена данными между интеллектуальными сетевыми устройствами. Сеансы связи могут устанавливаться между двумя системами автоматизации, системой автоматизации и компьютером и т.д. Для организации обмена данными используется OPC-сервер. Сервер OPCLink привязывает все клиентские запросы к запросам OPC для сбора данных. Сервер OPCLink позволяет также просматривать адресные пространства серверов OPC, поддерживающих интерфейс браузера.

Полевой уровень технических средств включает в себя приборы и аппаратуру контроля и регулирования (датчики аналоговых сигналов, преобразователи, регулирующие органы и исполнительные механизмы, пусковая и коммутирующая аппаратура, микропроцессорный контроллер сбора и обработки данных). Связь контроллера Simatic S7-400 с сервером ввода/вывода осуществляется через коммуникационный процессор CP 443-5 Bassic.

Ко второму уровню относится центральная рабочая станция, реализующие функции контроля работы и состояния основного оборудования, выбора режима управления, логической обработки сигналов, вывода информации о состоянии технологических объектов на экран монитора, накопление и передачи данных.

В целом система должна предусматривать следующие виды управления:

1) супервизорная (использование центральной рабочей станции для воздействия на регулирующие контроллеры для запуска, остановки оборудования, регулирования установок, отображение и хранение информации технологических параметров).

2) автоматическое (при использовании контроллера SIMATIC S7-400 в качестве непосредственного элемента контроля и управления).

Функциональные задачи АСУ ТП

Функциональными задачами автоматизированной системы управления технологическим процессом сгущения являются:

- поддержание регулируемых и контролируемых параметров процесса в соответствии с технологическим регламентом;

- представление технологической информации на экране монитора (по запросу или автоматически) в следующих формах:

а) в виде мнемосхем с различной детализацией, на которых воспроизводится информация о текущем состоянии технологического процесса и значения технологических параметров;

б) в виде обобщённых и детализированных кадров аварийных состояний, как технологического процесса, так и технических средств АСУТП;

в) в виде операторских отчётов (за час, за смену, сутки, месяц).

- защита от неправильных действий оператора;

- формирование и отображение на экране монитора графиков изменения технологических параметров;

- формирование и вывод на экран монитора протокола сообщений (событий), например, изменение состояния исполнительных механизмов, неисправность датчиков и др.

Создание АСУТП позволит:

- обеспечить обслуживающий персонал достоверной информацией о состоянии оборудования и ходе технологического процесса;

- модернизировать существующую систему управления;

- обеспечить выполнение технологического регламента;

- улучшить условия труда обслуживающего персонала.

Обоснование выбора технических средств, комплексов и сетевого обеспечения

При выборе наиболее предпочтительного варианта технических средств для системы, учитывают основные требования:

- технические;

- системные;

- экономические;

- монтажно-эксплуатационные.

Технические требования

Выбраны технологические требования исходя из следующих параметров:

а) по виду измеряемого параметра (приборы давления - Метран-100-ДИ поз. 23-2, 24-2; преобразователь рН Кварц рН поз. 2-1, 2-2; 6-1, 6-2; преобразователь концентрации массы PULP-EL поз. 21-1, 22-1;46-3; преобразователь уровня РОС 102 поз.12-1, 12-2, 12-3, 13-1, 13-2, 13-3, 14-1, 14-2, 14-3

б) по величине параметра (например: для расход воды выбран Метран 300ПР с диапазоном Т_{изм.среды}=1…150°С; давление на нагнетании насоса 1,0 МПа для этого выбран манометр с верхним значением диапазона 2,5МПа);

в) по характеру измеряемой среды (жидкость: Метран 300ПР, вязкая жидкость: Rosemaunt 8700 );

г) по характеру окружающей среды - внешние воздействующие факторы.

Известковый раствор, техническая вода, биопульпа (без учета взрыво и пожароопасности производства).

д) по месту установки прибора или отборного устройства;

е) по размещению объекта (расстояние от мест установки датчиков, преобразователей и исполнительных механизмов до пунктов контроля и управления с учётом прокладки импульсных и командных линий [84].

Требования к системе автоматизации

В проекте выбраны приборы в зависимости от следующих системных параметров:

а) серийность выпуска технических средств - в основном на рынке представлена продукция Промышленной группы (ПГ) «Метран», ЗАО «Завод электроники и механики», ООО «Ростехресурс», АО «Монотомь», АОО «Теплоприбор», ООО НПП «Элемер», а также контроллеры фирм Siemens;

б) степень функционального развития - многофункциональность, модификация и комплектность поставки;

в) вид потребляемой энергии - электрические;

г) унификация входных и выходных сигналов - преобразователи с унифицированным выходным токовым сигналом 4-20 мА;

д) метрологические характеристики - приборы с классом точности до 0,5 и допускаемой основной погрешности ±0,25;

е) взрывозащита - искробезопасная электрическая цепь;

ж) надежность - средняя наработка на отказ для датчиков давления (Метран-100) - 150000ч, для расходомеров (Метран-300ПР) - 50000ч; (Rosemaunt 8700) - 100000ч гарантийный срок для датчиков давления - 12 лет, для расходомеров - 8 лет и 15 лет [61, 62];

з) закон регулирования - ПиД-закон;

и) взаимозаменяемости составных частей - блочно-модульный монтаж контроллера.

При выборе технических средств ориентировались на серийно выпускаемые, стремились к применению однотипных средств ГСП, входящих в состав локальных систем автоматического контроля, регулирования и управления.

Экономические требования

Экономические требования определяют стоимостную категорию и оптимальное соотношение «цена/параметры», «цена/производительность», затраты на монтаж, сервисное обслуживание.

Монтажно-эксплуатационные требования

При выборе технических средств автоматизации были учтены следующие монтажно-эксплуатационные требования:

а) особенности установки на объекте, технологическом трубопроводе, в непосредственной близости от технологического оборудования (расходомер устанавливается в разрыв трубопровода поз 3-1);

б) габаритные размеры монтажной части (длина монтажной части

выбирается в зависимости от диаметра трубопровода);

в) удобство монтажа, эксплуатации и ремонта.

Выбор технических средств АСУ ТП

Выбор приборов и средств автоматизации осуществлялся с учётом технологических требований.

В зависимости от измеряемого параметра были выбраны средства измерения расхода, давления, температуры, уровня. Перечень приборов с перечисленными измеряемыми параметрами отображён в спецификации оборудования и материалов (приложение А). В зависимости от величины

измеряемого параметра, был проведён выбор соответствующих диапазонов измерения приборов. При выборе приборов и средств автоматизации учитывали место установки, а так же размещение объекта (расстояние от мест установки датчиков, преобразователей и исполнительных механизмов до пунктов контроля и управления с учетом прокладки импульсных и командных линий). Выбранные технические средства удовлетворяют всем требованиям технологического процесса.

2.6 Выбор информационного, математического и программного обеспечения

Программное обеспечение контроллера

В спектре продуктов для визуализации SIMATIC HMI (HMI = Human Machine Interface [человеко-машинный интерфейс]) представляет собой разбитую на уровни по цене и производительности систему управления и наблюдения класса SCADA с мощными функциями управления, автоматизированными процессами. SCADA система собирает информацию о технологическом процессе, обеспечивает интерфейс с оператором, сохраняет историю процесса, а так же автоматическое управление процессом.

Перечень критериев оценки SCADA-систем, которые в первую очередь должны интересовать пользователя. В нем можно выделить три большие группы показателей:

- технические характеристики;

- стоимостные характеристики;

- эксплуатационные характеристики.

Рассмотрим технические характеристики SCADA-системы In Touch:

1) Для работы In Touch рекомендуется следующее аппаратное и программное обеспечение:

- любой совместимый с IBM ПК с Pentium 100 или более мощным процессором;

- на менее 100 Мб свободного места на жестком диске;

- не менее 32 Мб оперативной памяти (RAM);

- адаптер дисплея SVGA (желательно с 2 Мб RAM);

- манипуляторное устройство (мышь, трекбол, сенсорный экран);

- операционная система Microsoft Windows NT.

2) Средства сетевой поддержки In Touch:

In Touch поддерживает как автономные, так и распределенные приложения. Автономными называются такие приложения, которые используют только один интерфейс оператора для каждой контролируемой системы. Распределенные приложения, наоборот, значительно сложнее, поскольку часто требуют настройки нескольких сетевых уровней. Распределенные приложения, как правило, требуют наличия центральной рабочей станции разработчика, централизованного хранилища данных с множеством клиентских рабочих станций. In Touch - чрезвычайно гибкая система, способная настраиваться под различные конфигурации, в зависимости от потребностей конкретного приложения (автономное приложение, архитектура на базе клиента, архитектура на базе сервера, архитектура ведущий/ведомый).

InTouch - самый популярный в мире HMI-пакет. Он позволяет следить за работой производственного участка, наблюдая за процессами, графически отображенными на экранах в реальном масштабе времени. Программный пакет InTouch состоит из двух основных компонентов - среды разработки и среды исполнения. В среде разработки создаются мнемосхемы, определяются и привязываются к аппаратным средствам входные и выходные сигналы и параметры, разрабатываются алгоритмы управления и назначаются права операторов. Созданное таким образом приложение функционирует в среде исполнения.

InTouch позволяет инженерам, супервизорам, менеджерам и операторам просматривать и контролировать работу всех производственных участков через графическое представление технологических линий.

Выбор контроллера

Программируемый контроллер S7-400 является свободно программируемой системой управления с памятью задач малой и средней сложности. Пользователь может целенаправленно следить за процессом и при необходимости вмешиваться в него. С помощью S7- 400 можно оптимально реагировать на различные требования автоматизации и в соответствии с ними осуществлять программирование. SIMATIC S7-400 построен по модульному принципу, причем различные функции автоматизации реализованы в нем с помощью различных модулей.

SIMATIC S7-400 является универсальным контроллером:

- соответствует жестким требованиям промышленных стандартов благодаря высокой степени электромагнитной совместимости, высокой стойкости к ударным и вибрационным нагрузкам;

- поддержка функций "горячей" замены модулей без остановки контроллера;

- допустимый диапазон рабочих температур 0 … 60°C;

- сейсмостойкость.

Кроме того контроллер SIMATIC S7-400 обладает программным обеспечением, стоимость которого понижается из-за:

- использования удобного для пользователя языка программирования STEP-7 с его четырьмя видами представления и удобной возможностью структурирования;

- богатого каталога программного обеспечения и стандартных функциональных блоков;

- простых в использовании программирующих устройств.

Для повышения производительности в одном базовом блоке может использоваться до 4 центральных процессоров. Все центральные процессоры имеют высокое быстродействие и детерминированное время отклика. Все центральные процессоры оснащены комбинированным интерфейсом программирования и PROFIBUS DP, через который может подподключаться до 125 программаторов/ компьютеров и панелей операторов. Этот же интерфейс позволяет подключать до 31 ведомых устройств PROFIBUS DP.

Программируемые контроллеры SIMATICS7-400 характеризуются следующими показателями:

- высокое быстродействие;

- удобные способы настройки параметров;

- оперативное управление и мониторинг:

удобный набор функций обмена данными с приборами и системами человеко-машинного интерфейса, поддерживаемый на уровне операционной системы центрального процессора S7-400;

- диагностические функции и самодиагностика:

встроенная система диагностики непрерывно контролирует состояние системы и фиксирует все ошибки и специфические события (таймаут, замена модулей, холодный перезапуск, останов и т.д.). Диагностическая информация накапливается в кольцевом буфере, что позволяет выполнять ее обработку;

- парольная защита от несанкционированного копирования и модификации программ;

- переключатель режимов работы;

- расширенный набор системных функций, поддерживающих обслуживание коммуникационных задач, задач управления программой и т.д.

При необходимости обслуживать большое количество датчиков и исполнительных устройств система локального ввода-вывода программируемого контроллера S7-400 может быть расширена до 21 стойки расширения. [82]

Конфигурирование системы

STEP7 пакет программного обеспечения предназначен для конфигурирования, определения коммуникаций, программирования, тестирования и обслуживания, документирования и архивирования созданных проектов для программируемых логических контроллеров SIMATIC S7. Данный пакет является частью стандартных инструментальных средств, он может быть дополнен инжиниринговыми пакетами, облегчающими пользователю работу над сложными проектами.

STEP7 пакет базового программного обеспечения для программируемых контроллеров SIMATIC S7. STEP7 имеет дружественный интерфейс для всех фаз проектирования системы автоматизации.

Конфигурация контроллера представлена на стойке UR1 (АПП.000013.424 А1) графической части. В её состав входит:

- модуль блока питания PS 407: для подключения SIMATIC S7-400 к источникам питания напряжением ~120/230 В. Модули блоков питания устанавливаются в крайние левые разъемы монтажной стойки базового блока или стойки расширения (начиная с первого разъёма). Питание к модулям подаётся через внутреннюю шину контроллера;

- центральный процессор CPU 414-1 предназначенный для построения сетей средней степени сложности, предъявляющих повышенное требование к объёму памяти программ и скорости выполнения инструкций. Встроенные интерфейсы PROFIBUS DP позволяют использовать контроллеры в системах распределенного ввода/вывода. HW Config STEP7 позволяет производить настройку большего количества параметров центральных процессоров S7-400. Модуль центрального процессора CPU 414-1 управляет регуляторами, центрального процессора CPU 414-1 управляет регуляторами, оборудованием, выполняет функции диагностики оборудования, обработки информации и передачи данных на станцию оператора;

- коммуникационный процессор CP 443-5 Basic позволяет производить подключение систем автоматизации SIMATIC S7-400 к сети PROFIBUS. Он обеспечивает автономное выполнение коммуникационных задач, разгружая от этих функций центральный процессор контроллера.

В сети PROFIBUS коммуникационный процессор CP 443-5 Basic обеспечивает поддержку S7-функции связи. S7 функции обеспечивают

возможность поддерживать связь:

- между контроллерами SIMATIC S7;

- с программаторами (PG/OP-функции связи);

- с персональным компьютером (сервер ввода/вывода), оснащенным коммуникационным процессором CP 5611.

CP 443-5 Basic способен выводить в сеть PROFIBUS отметки времени, формируемые центральным процессором S7-400. Это позволяет выполнять синхронизацию работы всех сетевых устройств, поддерживающих синхронизацию по дате и времени. Параметры настройки CP 443-5 Basic могут быть сохранены в памяти центрального процессора (STEP 7 от версии 5.0 и выше). Это позволяет сохранять параметры настройки при сбоях в питании контроллера, а также производить замену коммуникационного процессора без повторного конфигурирования вновь устанавливаемого модуля. Запуск центрального процессора будет автоматически сопровождаться передачей всех параметров настройки в коммуникационный процессор.

Модули (SM 421) выполняют преобразование входных дискретных сигналов контроллера в его внутренние логические сигналы, используемые центральным процессором в процессе выполнения программы. Предназначены для подключения дискретных датчиков, концевых выключателей, органов управления (кнопок, переключателей). Модуль ввода дискретных сигналов имеет 32 входа, номинальное входное напряжение 24В, потребляемая мощность 6Вт.

Модули вывода дискретных сигналов (SM 422) формируют выходные дискретные сигналы для управления исполнительными устройствами. Модули способны управлять задвижками, магнитными пускателями, сигнальными лампами и т.д.

Модули ввода аналоговых сигналов (SM431) выполняют аналого-цифровое преобразование входных аналоговых сигналов контроллера и формируют цифровые значения мгновенных значений аналоговых величин. К модулям могут подключаться датчики с унифицированными сигналами напряжения и силы тока, термопары, датчики сопротивления и термометры сопротивления. Модули предназначены для преобразования токового сигнала 4..20 мА. Модуль аналогового ввода имеет 16 входов с разрешением 13 бит.

Модули вывода аналоговых сигналов (SM 432) формируют выходные аналоговые сигналы контроллера, необходимые для управления аналоговыми исполнительными устройствами

Связь центрального процессорного устройства с модулями ввода/вывода осуществляется по внутренней шине контроллера.

Сигналы от датчиков поступают на модули ввода, где информация преобразуется в цифровой вид, затем сигнал по внутренней шине контроллера поступает в центральное процессорное устройство.

Система сообщений

В системе InTouch действуют два вида оповещений, информирующих оператора о протекании процесса: алармы и события.

Алармы представляют собой предупреждения о тревожных состояниях процесса, которые требуют отклика оператора. Типичный случай генерации аларма - превышение каким-либо параметром процесса предела, определенного пользователем, например, когда значение выходит за верхний пороговый уровень. Это вызывает состояние неподтвержденного аларма, который

используется для того, чтобы уведомить оператора о проблеме. Если это допускается конфигурацией, система InTouch может также зарегистрировать этот аларм в файле, который хранится на диске, или отправить его на принтер. Если оператор подтверждает аларм, система переводит аларм в подтвержденное состояние.

События представляют собой сообщения о нормальном состоянии системы и не требуют отклика оператора. Типичный случай генерации события - вход оператора в систему InTouch. Если это допускается конфигурацией, такое событие также может быть зарегистрировано в файле на диске или отправлено на принтер.

Модель системы автоматического регулирования уровня известкового молока

Целью моделирования является определение оптимальных условий протекания процесса, управление им на основе математической модели и перенос результатов на объект.

Моделью называется приближенное описание какого-либо явления или процесса, выраженное с помощью математической символики.

Моделирование включает три взаимосвязанных этапа:

- составление математического описания изучаемого объекта;

- выбор метода решения системы уравнений математического описания и реализация его в форме моделирующей программы;

- установление соответствия (адекватности) модели объекту.

Математическое описание может быть аналитическим (с помощью уравнений), графическим (с помощью графиков, структурных схем и графов) и табличным (с помощью таблиц). В данном проекте расчет модели будет производиться графическим методом. В качестве моделирующей программы выбран пакет математического анализа MatLab.

Концептуальная модель системы автоматического регулирования уровня жидкости в чане

Уровень является косвенным показателем гидродинамического равновесия в системе. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального баланса, когда приток жидкости равен стоку, и скорость изменения уровня равна нулю. Следует отметить, что «приток» и «сток» здесь являются обобщенными понятиями.

Имеем чан известкового молока, задача которого в случае отказа подачи рабочего тела в линию, в течение определенного времени поддерживать поступление известкового молока на вход последующего технологического аппарата.

Чан снабжен автоматической системой регулирования уровня. Регулирование производится «по рассогласованию». Регулируется расход «на оттоке». Исполнительное устройство электромеханическое.

Функциональная схему регулирования уровня жидкости изображена на рисунке 2.2

Рисунок 2.2 - Функциональная схема регулирования уровня жидкости

Структурная схема системы автоматического управления уровнем жидкости в чане представлена на рисунке 2.3

Рисунок 2.3 - Структурная схема системы автоматического управления уровнем жидкости в чане: лвозм - возмущающее воздействие; лрег - регулирующее воздействие; hвых - сигнал уровня жидкости в резервуаре; hзад - сигнал заданного уровня жидкости; Д - рассогласование; u - сигнал управления

Содержательное описание объекта регулирования

Объект регулирования - резервуар с линиями подвода и отвода известкового молока.

Рабочее тело - известковое молоко.

Регулируемый параметр - высота жидкости в резервуаре.

Конструктивные параметры объекта:

диаметр резервуара - 4 м;

высота резервуара - 12 м;

диаметр подводящей трубы d1 = 0,1 м;

диаметр отводящей трубы d2 = 0,15 м.

Содержательное описание датчика уровня

Датчик уровня формирует на выходе сигнал напряжения, пропорциональный уровню известкового молока в чане.

Содержательное описание регулятора

Регулятор представляет собой типовой электрический ПИД-регулятор на вход, которого поступает сигнал рассогласования, сформированный элементом сравнения «ЭС», как разность сигналов датчика и задатчика, а на его выходе формируется управляющий сигнал в границах ± 10 В.

Содержательное описание исполнительного устройства

Исполнительное устройство включает:

согласующее устройство СУ (формирует на своем выходе токовый сигнал переменной частоты и фазы в границах 0…50 Гц). Используется широтно-импульсный модулятор, на вход которого поступает сигнал управления, сформированный регулятором «u», в виде напряжения -10 … 0 … 10В, на выходе формируются импульсы включения двигателя, длительность которых пропорциональна величине сигнала рассогласования;

электродвигатель асинхронный с номинальной частотой вращения 25 об/с. На вход электродвигателя поступает ток переменной частоты, а на выходе формируется угол поворота якоря двигателя «шдв» (Псидв), пропорциональный времени работы двигателя;

редуктор с регулируемым передаточным числом. Настраиваемый вручную, выходной вал которого поворачивается на угол «шред» (Псиред);

вентиль с коэффициентом передачи «винт-гайка» равным 0,004 м/об (полное перемещение штока вентиля составляет 0,5 диаметра трубы) «шред» > «Хшт».

Функциональная схема исполнительного устройства представлена на рисунке 2.4

Рисунок 2.4 - Функциональная схема исполнительного устройства

Составление математической логической аналитической модели системы автоматического управления уровнем жидкости в резервуаре

Модель объекта регулирования

Резервуар (чан) представляет собой «одноемкостной объект» и может быть описан дифференциальным уравнением первого порядка вида

(2.1)

где Та - время разгона объекта;

Fд - коэффициент самовыравнивания объекта;

? - относительная величина регулируемого параметра;

л - относительная величина возмущающего воздействия.

Для составления аналитической модели, мы должны связать параметры дифференциального уравнения: время разгона объекта и коэффициент самовыравнивания с физическими параметрами объекта.

Определим время разгона объекта.

Решение задачи начнем с того, что определим высоту столба жидкости над дном резервуара H0.

Запишем уравнение баланса в значениях расхода жидкости через краны на притоке Qпр.ном и оттоке Qот.ном при номинальных значениях м.

...