Разработка автоматизированной системы управления процессом производства кислорода

Размещено на http://www.allbest.ru

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Современное состояние вопроса разработки автоматизированной системы управления процессом производства кислорода

1.1 Анализ технологического процесса производства кислорода

1.2 Анализ процесса как объекта управления

1.3 Критический анализ систем управления процесса производства кислорода

Выводы к разделу 1

2. Техническое задание на проектирование автоматизированной системы управления технологическим процессом производства кислорода

2.1 Назначение и цели создания АСУ ТП производства кислорода

2.2 Краткая характеристика объектов автоматизации

2.3 Требования к автоматизируемой системе управления

Выводы к разделу 2

3. Разработка функциональной схемы автоматизации процесса производства кислорода

3.1 Выбор структуры АСУ ТП

3.2 Обоснование выбора комплекса программно-технических средств и выбор основных технических средств АСУ ТП

3.3 Описание функциональной схемы автоматизации

3.4 Составление спецификации средств автоматизации

Выводы к разделу 3

4. Разработка принципиальных электрических схем автоматизации

4.1 Разработка принципиальной схемы электропитания

4.2 Разработка схем внешних соединений

Выводы к разделу 4

5. Организация центрального пункта управления АСУ ТП

5.1 Организация АРМа оператора

5.1.1 Структура, функции АРМа оператора и описание механизмов взаимодействия АРМа с контроллерами

5.1.2 Описание основных видеокадров

5.2 Разработка общего вида щитов и шкафов и описание размещения приборов и средств автоматизации в щитах и в шкафах контроля и правления

5.3 Разработка монтажно-коммутационной схемы щитов и шкафов контроля и управления

Выводы к разделу 5

6. Расчет системы автоматического регулирования

6.1 Обоснование выбора технологического аппарата, лимитирующего качество продукции

6.2 Разработка математической модели

6.3 Имитационные исследования объекта управления

6.4 Расчет параметров системы регулирования

6.5 Расчет настроек регуляторов системы регулирования

6.6 Анализ показателей качества процесса регулирования

6.7 Расчет надежности АСР

6.7.1 Основные понятия и критерии надежности

6.7.2 Ориентировочный расчет надежности

Выводы к разделу 6

7. Разработка прикладного программного обеспечения (ППО) управляющих контроллеров

7.1 Постановка задачи разработки ППО

7.2 Разработка эскизных алгоритмов управления или блок-схем алгоритмов управления

7.3 Описание разработанного прикладного программного обеспечения управляющих контроллеров

Выводы к разделу 7

8. Технико-экономическое обоснование принятых решений по разработке АСУ ТП производства продукта

8.1 Цель технико-экономического обоснования принятых решений

8.2 Описания продукта

8.3 Рынки сбыта товаров

8.4 План маркетинга

8.5 Правовое обеспечение деятельности предприятия

8.6 Оценка риска и страхования

8.7 Финансовый план и оценка экономической эффективности внедрения АСУ ТП

8.8 Стратегия финансирования

Выводы к разделу 8

9. Обеспечение безопасности жизнедеятельности обслуживающего

персонала

9.1 Введение к разделу “Безопасность жизнедеятельности”

9.2 Общие санитарно-гигиенические требования к устройству промышленных предприятий

9.2.1 Санитарный класс и размеры санитарно-защищенной зоны

9.2.2 Основные требования к конструкции зданий, сооружений, вспомогательных и подсобных помещений с учетом нормативов площадей для работающих и оборудования

9.3 Характеристики для сырья, опасностей и вредностей на проектируемом объекте

9.4 Общие требования безопасности к производственному оборудованию. Ограждения и блокировочные устройства

9.5 Классификация производства по взрывной, взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности

9.6 Электробезопасность

9.6.1 Характеристика используемой электроэнергии

9.6.2 Класс помещения по опасности поражения работающих электрическим током, класс по ПУЭ

9.6.3 Меры безопасности, используемые в проекте

9.7 Расчет заземляющего контура

9.8 Производственное освещение

9.8.1 Естественное освещение, нормы, обеспечение

9.8.2 Расчет общего равномерного искусственного освещения

9.9 Расчет кондиционирования

9.10 Пожарная профилактика

9.11 Гигиена труда, спецодежда, индивидуальные средства защиты

Выводы к разделу 9

Заключение

Список используемой литературы

Приложение А Заказная спецификация

Приложение Б Листинг ППО управляющих контроллеров

Приложение В Текст расчетных программ

ВЕДЕНИЕ

АСУ кислород автоматизация

Бурное развитие промышленности, медицины, сельского хозяйства за последние полвека привело к резкому росту потребностей в чистых и концентрированных газах. На сегодняшний день существует значительное многообразие способов разделения и очистки газов, но наиболее эффективной, экономически целесообразной и обладающей рядом эксплуатационных преимуществ является технология короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА). С момента ее изобретения в 1960 г. данная технология приобрела широчайшее распространение в различных областях жизнедеятельности человека. [1]

Установки адсорбционного разделения газовых смесей (КБА) способны поглощать значительный спектр различных веществ, в том числе и ядовитых, которые не способны отделить угольные фильтры и системы с температурной регенерацией. В промышленном производстве системы КБА с успехом применяются для удаления углекислого газа, моноокиси углерода, метана, этана, паров нефти и закиси азота; они также используются для разделения воздуха на кислород и азот. Они способны работать непрерывно в течение многих лет без ухудшения характеристик. При их работе отсутствуют выделение газов с запахом и термическое разложение, так как при регенерации не используется наружный источник тепла. На систему не влияют условия высокой относительной влажности, даже выше 80 %. Характеристики не ухудшаются при длительном хранении. Сорбент не пропитывается и не представляет опасности для окружающей среды. Системы КБА не зависят от химических реакций, они могут предназначаться и использоваться для любого из химических агентов и в любом сочетании и могут включать индикаторы неисправностей и аппаратуру для эффективного контроля и управления. [2]

Наиболее широкое распространение установки КБА получили для производства азота и кислорода из воздуха. В 2000 году более половины произведенного в мире кислорода было получено с применением технологии адсорбционного разделения воздуха, а ежегодный прирост потребления азота и кислорода составляет 3- 5 %.

Несмотря на достаточное широкое распространение и перспективность метода короткоцикловой безнагревной адсорбции, этот метод разделения газовых смесей до конца не исследован.

Поэтому весьма актуальным является построение системы управления процессом КБА, построенной на базе современных программно-технических средств. При этом к проектируемой автоматизированной системы управления процессом адсорбционного разделения газовых смесей по методу КБА предъявляются особые требования по функциональности и гибкости. Выполнение этих требований невозможно обеспечить без использования современных технических средств автоматизации, многофункциональных программируемых контроллеров, использования систем SCADA.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА РАЗРАБОТКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА КИСЛОРОДА

1.1 Анализ технологического процесса производства кислорода

На рисунке 1.1 представлена принципиальная технологическая схема установки получения кислорода из воздушной смеси.

1 - фильтр; 2 - воздуходувка; I-V - адсорберы; 3 - компрессор; 4 - ресивер; 5 - теплообменник; 6 - вакуум-насос; 7 - сепаратор; к1-к19 - клапаны; КО1-КО5 - обратные клапана.

Рисунок 1.1 - Схема технологической установки по продуцированию кислорода

Сжатый воздух, предварительно очищенный от пыли и капельной влаги, с помощью фильтра и влагоотделителя воздуходувкой подается под давлением около 0,6 МПа в один из 5 заполненных цеолитом адсорберов. При этом содержащийся в воздухе азот селективно поглощается цеолитом, а кислород выходит с другого (верхнего) конца адсорбера. После отработки (насыщения) адсорбционного слоя подача исходного воз-духа автоматически переключается на другой адсорбер, а отработанный адсорбент подвергается регенерации путем сброса давления в адсорбере до атмосферного и его обратной продувки (сверху вниз) частью кислородообогащенного потока, выходящего из другого адсорбера.

Таким образом, полный цикл адсорбции -- регенерации адсорберов в принципе состоит из следующих стадий:

- поддержание в адсорбере рабочего давления;

- сброс давления в адсорбере до атмосферного;

• - продувка адсорбера кислородообогащенным потоком;
• - подъем давления в адсорбере до рабочего (0.6 МПа).

Процесс адсорбционного разделения воздуха с целью получения кислорода - циклический процесс, с периодом полуцикла - до нескольких минут. Циклограмма работы адсорберов представлена на рисунке 1.2.

Таблица 1.1 - Порядок работы клапанов К1-К10, КО1-КО5

Стадия	Процесс	Клапаны
		Открыты	Закрыты
1	Адсорбция в Адсорбере 1 Десорбция в Адсорбере 2 Адсорбция в Адсорбере 3 Десорбция в Адсорбере 4 Адсорбция в Адсорбере 5	К1, К4, К5, К8, К9. КО1, КО3, KO5	К2, К3, К6, К7, К10. КО2, КО4
2	Десорбция в Адсорбере 1 Адсорбция в Адсорбере 2 Десорбция в Адсорбере 3 Адсорбция в Адсорбере 4 Десорбция в Адсорбере 5	К2, К3, К6, К7, К10 КО2, КО4	К1, К4, К5, К8, К9 КО1, КО3, КО5



1/2 цикла	2/2 цикла
А1: Адсорбция (продуцирование)	А1: Десорбция (регенерация)
А2: Десорбция (регенерация)	А2: Адсорбция (продуцирование)
А3: Адсорбция (продуцирование)	А3: Десорбция (регенерация)
А4: Десорбция (регенерация)	А4: Адсорбция (продуцирование)
А5: Адсорбция (продуцирование)	А5: Десорбция (регенерация)

1.2 Анализ процесса как объекта управления

Одним из основных аппаратов процесса процессом адсорбционного разделения воздушной смеси является адсорбер для разделения воздуха на азот и кислород (поз. 3, 4).[1] Эффективность процесса адсорбционного разделения воздуха напрямую определяет качество продукционного кислорода [2].

Рассмотрим процесс осушки разделения воздуха на азот и кислород, как объект управления, т.е. проведем анализ параметров влияющих на процесс с целью выяснения входных и выходных переменных.

Входными перемененными объекта следует считать те переменные, значения которых можно непосредственно изменять на объекте. Входные воздействия подразделяются на управляющие и возмущающие. Управляющие воздействия определяются входными переменными, значения которых можно непосредственно изменять на объекте. Возмущающие воздействия определяются внешними по отношению к объекту условиями. Выходные переменные объекта - это те, значения которых меняются вследствие изменения входных переменных [3].

Таким образом, возможными управляющими переменными производства кислорода, как объекта управления являются степени открытия клапанов на входе в адсорбер и на выходе из адсорбера .

Возмущающие переменные: давление газовой смеси на входе и выходе из адсорбера , концентрация азота на входе и выходе адсорбера .

Выходные переменные: давление газовой смеси в адсорбере , расход газовой смеси на входе и выходе адсорбера, температура газовой смеси на выходе адсорбера , концентрация азота на входе и выходе адсорбера.

На рисунке 1.3 процесс адсорбционного разделения воздуха представлен как объект управления.



Рисунок 1.3 - Процесс адсорбционного разделения воздуха, как объект управления

Таким образом, провели анализ процесса как объекта управления. Выявили входные, и выходные переменные.

1.3 Критический анализ систем управления процессом производства кислорода

В настоящее время установка адсорбционного разделения воздуха автоматизирована весьма слабо, управление клапанами осуществляется по жесткой программе с использованием программируемого таймера. Помимо этого установка снабжена местными манометрами для контроля давлений.

Современный уровень развития технических средств автоматизации может предоставить различные возможности для повышения эффективности процесса адсорбционного разделения газовых смесей.

Поскольку для обоснования применения автоматизированного управления важна быстрая окупаемость, то обязательным требованием является хорошее знание технологии производства. Недостаточность знаний о процессе просто означает, что срок окупаемости системы увеличивается из-за расходов на эмпирическую разработку модели. [4] Обеспечение персонала достаточной, достоверной и своевременной информацией о ходе технологического процесса и состоянии оборудования для оперативного управления достигается за счет:

оперативного и высокоэффективного контроля и управления за ходом технологического процесса;

применения современных технических средств и методов контроля;

точной, достоверной автоматической регистрацией технологического процесса что, в конечном счете, обеспечивает улучшение технологической дисциплины;

оперативной вычислительной обработки результатов функционирования технологических агрегатов.

АСУ ТП должна выполнять информационно-вычислительную и управляющую функции. Каждая из этих функций включает ряд задач. В их число входит и комплекс задач осуществления общесистемных функций (организация вызовов задач в заданных последовательности и времени, обслуживание базы данных и обеспечение ее сохранности, организация обмена информацией между задачами).

Реализация управлений предусматривает наличие двухуровневой структуры. Нижний уровень управления образуют программируемые контроллеры, основными задачами которых являются получение информации об объекте управления от первичных измерительных преобразователей; преобразование информации в цифровую форму и передача информации верхнему уровню управления, контроль и регулирование с целью отработки предписаний, задаваемых верхним уровнем управления. [5]

Верхний уровень управления предполагает наличие РС совместимого компьютера и реализованного на нем пульта оператора с использованием одной из SCADA - систем (Supervisory Control and Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных). Эти программы позволяют обеспечить двухстороннюю связь в реальном времени с объектом управления и контроля, визуализацию информации на экране монитора в любом удобном для оператора виде, контроль нештатных ситуаций, организацию удаленного доступа, хранение и обработку информации.

Выводы к разделу 1

В настоящее время установка адсорбционного разделения воздуха автоматизирована весьма слабо, управление клапанами осуществляется по таймерам. Проведен анализ процесса и поставлена задача разработки двухуровневой АСУ ТП.

2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА КИСЛОРОДА

Полное наименование системы: Автоматизированная система управления процессом короткоцикловой безнагревной адсорбции.

Условное обозначение системы: АСУ ТП КБА

Заказчик: ОАО «Корпорация РосХимЗащита»

Разработчик АСУ ТП: _______________Попов И.Н._________________

2.1 Назначение, цель создания АСУ ТП

АСУ ТП предназначена для автоматизации оперативного контроля и управления технологическими объектами и процессами установки. Целью создания АСУ является обеспечение эффективной и безопасной эксплуатации объекта с использованием современных микропроцессорных средств.

2.2 Краткая характеристика объектов автоматизации

Воздухоразделительный адсорбер - 5шт

Компрессор- 1шт

Воздушный фильтр - 1шт

Вакуум-насос - 1шт

Газгольдер - 2шт

Воздуходувка - 1шт

Теплообменник - 1шт

Сепаратор - 1шт

2.2.1 Условия эксплуатации объекта

Помещение цеха является пожаробезопасной зоной при наличии газоанализаторов предельных концентраций O2. Климатические условия в цеху;

- температура окружающего воздуха - от 00С до +500 С;

- относительная влажность - от 45'% до 85% при 250 С;

- атмосферное давление - от 84 до 106,7 кПа (от 630 до 800 мм. рт. ст.).

2.3 Требования к автоматизируемой системе управления

Требования к автоматизируемой системе управления:

А. Мониторинг технологических параметров процесса.

Б. Автоматизированное (дистанционное) управление технологическими процессами установки

В. Отображение информации на мониторе АРМ оператора.

Состав входных и выходных сигналов

Таблица 2.1 - Состав входных и выходных сигналов

№	Наименование параметра	обозначение	Ед. изм.	Диапазон измерения	Ном. значение	Тип сигнала	Действия системы
1	Давление в адсорбере	PT1a	МПа	0,1…0,6	0,3	4…20мА	Контроль
2	Управление отсечным клапаном	NS2а				0/24В	Контроль и управление
3	Управление отсечным клапаном	NS3а				0/24В	Контроль и управление
4	Содержание кислорода на выходе адсорбера	QE4a	%	0-100	95%	4...20мА	Контроль и управление
5	Управление отсечным клапаном	NS5а				0/24В	Контроль и управление
6	Давление в адсорбере	PT6a	МПа	0,1…0,6	0,3	4…20мА	Контроль
7	Управление отсечным клапаном	NS7а				0/24В	Контроль и управление
8	Содержание кислорода на выходе адсорбера	QE8a	%	0-100	95%	4...20мА	Контроль и управление
9	Управление отсечным клапаном	NS9а				0/24В	Контроль и управление
10	Давление в адсорбере	PT10a	МПа	0,1…0,6	0,3	4…20мА	Контроль
11	Управление отсечным клапаном	NS11а				0/24В	Контроль и управление
12	Содержание кислорода на выходе адсорбера	QE12a	%	0-100	95%	4...20мА	Контроль и управление
13	Управление отсечным клапаном	NS13а				0/24В	Контроль и управление
14	Давление в адсорбере	PT14a	МПа	0,1…0,6	0,3	4…20мА	Контроль
15	Управление отсечным клапаном	NS15а				0/24В	Контроль и управление
16	Управление отсечным клапаном	QE16a	%	0-100	95%	4...20мА	Контроль и управление
17	Управление отсечным клапаном	NS17а				0/24В	Контроль и управление
18	Давление в адсорбере	PT18a	МПа	0,1…0,6	0,3	4…20мА	Контроль
19	Управление отсечным клапаном	NS19a				0/24В	Контроль и управление
20	Содержание кислорода на выходе адсорбера	QE8a	%	0-100	95%	4...20мА	Контроль и управление
21	Управление компрессором	NS21a				0/24В	Контроль и управление
22	Давление в газгольдере	PT22a	МПа	0,1…0,6	0,3	4…20мА	Контроль
23	Управление отсечным клапаном	NS23в				0/24В	Контроль и управление
24	Управление отсечным клапаном	NS24а				0/24В	Контроль
25	Расход кислорода на выходе установки	FT25a	дм3/ч	0-200	10	4...20мА	Контроль
26	Температура кислорода на выходе установки	TT26a	оС	0-100	25	4...20мА	Контроль
27	Управление отсечным клапаном	NS27а				0/24В	Контроль и управление
28	Управление отсечным клапаном	NS28г				0/24В	Контроль и управление
29	Управление воздуходувкой	NS29a				0/24В	Контроль и управление
30	Давление в газгольдере	PT30a	МПа	0,1…0,6	0,3	4…20мА	Контроль
31	Управление отсечным клапаном	NS31б				0/24В	Контроль и управление
32	Управление отсечным клапаном	NS32а				0/24В	Контроль и управление
33	Управление отсечным клапаном	NS33б				0/24В	Контроль и управление
34	Управление отсечным клапаном	NS34а				0/24В	Контроль и управление
35	Управление отсечным клапаном	NS35б				0/24В	Контроль и управление
36	Управление отсечным клапаном	NS36а				0/24В	Контроль и управление
37	Управление отсечным клапаном	NS37б				0/24В	Контроль и управление
38	Управление отсечным клапаном	NS38а				0/24В	Контроль и управление
39	Управление отсечным клапаном	NS39б				0/24В	Контроль и управление
40	Давление перед вакуум-насосом	PT40a	МПа	0,05…0,2	0,1	4…20мА	Контроль
41	Управление вакуум-насосом	NS41б				0/24В	Контроль и управление
42	Управление отсечным клапаном	NS42в				0/24В	Контроль и управление
43	Верхний уровень воды в сепараторе	LE43a				0/24В	Контроль и управление
44	Нижний уровень воды в сепараторе	LE43б				0/24В	Контроль и управление

Выводы к разделу 2

Разработан проект технического задания на проектирование автоматизированной системы управления процессом производства кислорода, приведены требования к автоматизированной системе.

Размещено на http://www.allbest.ru

3. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА КИСЛОРОДА

3.1 Выбор структуры АСУ ТП

При разработке проекта автоматизации необходимо решить вопросы выбора структуры управления. Под структурой управления понимается совокупность частей автоматической системы, на которые она может быть разделена по определенному признаку, а также пути передачи воздействий между ними.

Выбор структуры управления объектом автоматизации оказывает существенное влияние на эффективность его работы, снижение относительной стоимости системы управления, ее надежности. [5]

Автоматизированные системы управления технологическими процессами представляют собой человеко-машинные системы управления, в которых технические средства осуществляют получение информации о состоянии технологического объекта управления, вычисление критериев качества, нахождение оптимальных управлений, а оператор выполняет анализ этих управлений и их реализацию с помощью локальных АСР или дистанционного управления регулирующими органами.

При проектировании структурных схем управления и контроля прежде всего учитывается административно-оперативная структура управления, существующая на данном производстве, число и характер пунктов управления при разработке системы автоматизации определяется с учетом объема и уровня автоматизации, выбранного для данного производства.

В структурной схеме управления и контроля отображаются особенности технологического характера данного производства, а также технические средства, используемые при создании локальных систем автоматизации. Важным вопросом является выбор средств для формирования и передачи информации между отдельными постами управления.

АСУ ТП должна осуществлять информационную, информационно-вычислительную и управляющую функции.

В дипломном проекте разработана двухуровневая АСУ ТП. Реализация жесткой активной системы управления предусматривает наличие двухуровневого программно-технического комплекса, структурная схема которого представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Структура АСУ ТП производства кислорода

Первый уровень составляют контроллеры, второй - пульт оператора, который может быть представлен рабочей станцией или промышленным компьютером.

Уровень контроллеров в такой системе выполняет сбор сигналов от датчиков, установленных на объекте управления; предварительную обработку сигналов (фильтрацию и масштабирование); реализацию алгоритмов управления и формирование управляющих сигналов на исполнительные механизмы объекта управления; передача и прием информации из промышленной сети. [6]

Пульт оператора формирует сетевые запросы к контроллерам нижнего уровня, получает от них оперативную информацию о ходе технологического процесса, отображает на экране монитора ход технологического процесса в удобном для оператора виде, осуществляет долговременное хранение динамической информации (ведение архива) о ходе процесса, производит коррекцию необходимых параметров алгоритмов управления и уставок регуляторов в контроллерах нижнего уровня. [7]

Большое распространение при создании программно - технических комплексов получили пакеты программ измерительной информации на дисплейных пунктах операторов, называемых SCADA- программами. Эти пакеты позволяют создавать полное высококачественное обеспечение пультов операторов, реализуемых на различных разновидностях персональных компьютеров и рабочих станциях компьютерных систем.

3.2 Обоснование выбора комплекса программно-технических средств и выбор основных технических средств АСУ ТП

При разработке функциональных и других видов схем автоматизации и выборе технических средств автоматизации учитываться следующие положения:

вид и характер технологического процесса;

условия пожаро- и взрывоопасности, климатические условия окружающей среды;

агрессивность и токсичность окружающей среды;

параметры и физико-химические свойства измеряемой среды;

расстояние от мест установки датчиков, вспомогательных устройств, исполнительных механизмов, приводов машин и запорных органов до пунктов управления и контроля;

требуемая точность и быстродействие средств автоматизации.

На основании вышеизложенных рекомендаций проведем выбор технических средств автоматизации, обеспечивающих проведение процесса в соответствии с регламентными требованиями.

Управление производством осуществляется из операторского помещения, в котором находятся автоматизированное место оператора и шкаф управления. С помощью выбранных технических средств предусматривается контроль, регулирование давления исходной смеси, давления продуктовой смеси, управления клапанами переключения адсорберов.

Для измерения температуры в данном проекте будут использованы термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом типа ТСПУ

Предназначены для измерения температуры в жидких, газообразных и сыпучих веществах.

Термопреобразователи обеспечивают непрерывное преобразование температуры в унифицированный выходной сигнал 0-5 мА или 4-20 мА.

Термопреобразователь состоит из первичного термопреобразователя и электронного устройства (преобразователь токовый), которое размещается в стандартной четырехклеммной головке первичного термопреобразователя.

Электронное устройство крепится на клеммах головки с помощью шайб и гаек и, поэтому, легко снимается, что позволяет использовать один первичный преобразователь с несколькими электронными устройствами, настроенными на различные диапазоны температур и различные выходные сигналы. Электропитание осуществляется от источника питания постоянного тока напряжением от 18 до 36В.

Диапазоны измеряемых температур, C:

для ТСПУ - 205 (-50 … 50), (0 … 100), (0 … 200), (0 … 300), (0… 500)

Дополнительная температурная погрешность, вызванная изменением температуры окружающего воздуха: не более 0.25% на каждые 10° С

Классы точности для ТСПУ: 0.25 или 0.5

Данный прибор соответствует условиям измеряемой среды (в нашем случае газообразная и жидкая), диапазонам рабочих температур (0-300 и 0-200°C) и выдает унифицированный сигнал без дополнительных преобразователей. [3]

Для измерения давления будут использован преобразователь измерительный избыточного давления АИР-20/М2

Преобразователи давления измерительные АИР-20/М2 предназначены для непрерывного преобразования значений избыточного давления, разрежения, избыточного давления-разрежения, абсолютного давления, разности давлений и гидростатического давления (уровня) жидких и газообразных, в том числе агрессивных, сред в унифицированный выходной токовый сигнал (4…20 мА, 0…5 мА). АИР-20/М2 имеет модификации с наличием жидкокристаллического (ЖКИ) или светодиодного цифрового индикатора для отображения измеряемых значений выше названных физических величин. Преобразователи АИР-20/М2 используются в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами.

Диапазон измерений соответствует требуемым АСУ.

Таблица 3.1 - Характеристики АИР-20/М2

Измерительный преобразователь	Код модели	Максимальный верхний предел измерения	Ряд верхних пределов измерений по ГОСТ 22520-85
		кПа	МПа
АИР-20/М2-ДА	060, 061		2,5	0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5
	050, 051	600		25, 40, 60, 100, 160, 250, 400, 600
	040, 041	50		10, 16, 25, 40, 60, 100, 160, 250
	030, 031	100		4, 6, 10, 16, 25, 40, 60, 100

Для управления электромагнитными клапанами используются промежуточные реле серии R4 (рисунок 3.4) производства компании RELPOL (Польша).Поставку этих реле осуществляет компания «Реле и автоматика», г. Москва.

Для управления электродвигателями оборудования используются малогабаритные контакторы серии КМИ (рисунок 3.5) производства ООО «Интерэлктрокомплект», г. Москва. Напряжение срабатывания катушки - 24В.

Для измерения расхода продукционного кислорода будет использован расходомер Метран-390. Вихревые расходомеры Метран-390 предназначены для измерения объемного расхода жидкостей, газов и пара, по отношению к которым материалы проточной части расходомера обладают коррозионной стойкостью.

Используются в системах автоматического контроля и управления технологическими процессами в энергетике, нефтегазовой, химической, бумажной и других отраслях промышленности, а также в системах учета расхода жидкостей, газов, пара и в системах теплоучета.

Основные преимущества:

- единая литая конструкция, отсутствие импульсных линий, уплотнений, сварных соединений, а также отверстий и полостей, которые могут засоряться в процессе эксплуатации;

- стабильность измерений;

- повышенная помехозащищенность и устойчивость к вибрации;

- расширенная самодиагностика;

- модуль ЖКИ имеет возможность поворота внутри корпуса блока электроники на 360° с шагом 90°;

- встроенный датчик температуры может быть заменен без остановки технологического процесса.

- Измеряемые среды: жидкость, газ, пар

- Диаметр условного прохода D_у 25…200 мм

- Абсолютное давление измеряемой среды до 4 МПа

- Температура измеряемой среды: от -50 до 250°C

- Выходные сигналы:

- токовый 4-20 мА;

- частотно-импульсный от 0 до 10 кГц;

- цифровой на базе HART-протокола

- Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерений расхода:

- по цифровому и частотно-импульсному выходу:

- для жидкости ±1,0 %

- в диапазоне скоростей от 0,3 до 8 м/c;

- для пара, газа ±1,5 %

- в диапазоне скоростей от 3 до 80 м/c;

- по токовому выходу: дополнительно не более ±0,05% от диапазона изменений токового выходного сигнала

- Интегральный и удаленный (исполнение доступно с 01.01.2010) до 9 м монтаж преобразователя

- Наличие взрывозащищенного исполнения

- Соответствие требованиям по электромагнитной совместимости

- Возможность измерений температуры (опция)

- ТУ 4213-054-51453097-2008

Для питания датчиков с унифицированным выходным сигналом (АИР-20/М2) используются блоки питания модульного исполнения БП-96 (рисунок 3.7) производства НПП «Элемер», г. Москва.

Источники питания БП 96 имеют 1, 2 или 4 гальванически развязанных канала, схему электронной защиты от перегрузок и короткого замыкания по каждому каналу, светодиодную индикацию включения и перегрузки по каждому каналу. Выполнены приборы в Евростандарте DIN VDE 0611 монтаж на DIN-рейке NS-35) и DIN4370 (монтаж в щите). Источники питания постоянного тока состоят из одного сетевого трансформатора, стабилизаторов и схем электронной защиты. На передней панели блока расположены кнопки включения нагрузки и светодиодные индикаторы перегрузки. при перегрузке или коротком замыкании канал отключается, что не влияет на работу остальных каналов. [7]

Для управления работой адсорберов, переключения потоков газов используются электромагнитные (соленоидные клапаны) EV-220А фирмы Danfoss (Дания), которые широко распространены на отечественном рынке, благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам (большой ресурс, малая потребляемая мощность) и невысокой цены. Напряжение питания катушки 220В переменного тока, потребляемая мощность не более 5 Вт. Класс защиты корпуса катушки IP65.

Для управления процессом будет использоваться ПЛК WinCon серии I-8000. Серия I-8000 - это компактные РС-совместимые контроллеры модульного типа с диапазоном рабочих температур -25°С.…+75°С, позволяющие реализовывать различные типы систем сбора и обработки данных: удаленных, распределенных, автономных и т.п.

Состав серии:

* блоки контроллеров с 4 или 8 слотами расширения

* интерфейсные модули расширения

* блоки расширения на 4, 5, 8 или 9 слотов

* модули УСО с параллельным интерфейсом

* модули УСО с последовательным интерфейсом

Контроллеры серии I-8000 имеют трехуровневую систему гальванической развязки 3000В, что позволяет снизить влияние электромагнитных помех, устранить гальваническую связь с оборудованием контролируемых объектов, а также предотвратить неисправности, которые могут быть вызваны случайными выбросами напряжения питания и переходными процессами при коммутации силового оборудования. Питание блоков контроллеров и блоков расширения осуществляется постоянным нестабилизированным напряжением 10-30В.

Конструктивно контроллер серии I-8000 (рис. 3.9) выполнен в виде отдельного блока из негорючего пластика. Блок содержит центральный процессор, источник питания, панель управления, коммуникационные порты и объединительную плату для установки модулей ввода вывода на 4 или 8

Для удобства оперативного контроля за работой I-8000 имеется встроенная панель управления. На ней расположены 5-знаковый 7-сегментный индикатор, 3 светодиода и кнопки управления. На индикатор может выводиться информация о статусе работы I-8000 и состоянии аналоговых входов выходов (информация о состоянии дискретных входов выходов выводится на светодиоды, расположенные на модулях расширения). Четыре кнопки оперативного управления "Up", "Down", "Mode", "Set" позволяют пользователю оперативно просматривать необходимые данные на дисплее и управлять статусом работы контроллера. Дополнительно на панели расположен индикатор питания.

К контроллерам серии I-8000 через один из коммуникационных портов могут подсоединяться дополнительные модули ввода/вывода последовательного

Модули обладают съемными клеммными соединителями с винтовой фиксацией внешних проводов.

В данной работе будут использованы модули:

· I-8014W 8/16-канальный модуль аналогового ввода. Тип входа:

по напряжению -0.15...+0.15, -1...+1, -5...+5, -10...+10 В;

по току -20...+20 мА.

· I-8054 G- модуль дискретного ввода-вывода с изоляцией - 8 DI, 8 DO

· I-87041 G - модуль дискретного вывода - 32 DO

· Модуль контроллера I-8437-80

Для питания контроллера и его модулей будет использован блок питания DIN-540A

Выходная мощность 48 Вт

Тип преобразования AC-DC импульсное

Выходные напряжения +24 В

Выход 1 Напряжение 24 В

Максимальная нагрузка 2 А

Номинальная нагрузка 1.7 А

Стабильность от входа -1...1 %

Стабильность от выхода -1...1 %

Защита от перенапряжения 26...31 В

Для измерения уровня жидкости в сепараторе будет использован датчик-реле уровня РОС-301. Датчики-реле уровня РОС-301 совместно с исполнительными устройствами предназначены для применения в системах автоматического поддержания уровня электропроводной жидкости в трех точках в одном или различных резервуарах вне взрывоопасных зон. Сигнализатор уровня может применяться для защиты погружного насоса от «сухого» хода, а так же для наполнения или осушения резервуара до заданного уровня.

Прибор соответствует климатическому исполнению УХЛ2 - датчики, УХЛ3 - передающий преобразователь по ГОСТ 15150-69.

Основные технические данные:

- Напряжение питания: 220В 50Гц, или 24(12)В постоянного тока.

- Потребляемая мощность не более 6Вт.

- Напряжение переменного тока на электроде датчика не более 15В.

- Электрическая нагрузка на контакты выходного реле: ток до 7А 50Гц, 250В.

- Верхнее значение сопротивления срабатывания (сопротивление жидкости между сигнальным электродом и «общим» электродом датчика, при котором происходит срабатывание выходного реле): 5000 Ом.

- По степени защиты прибора от воздействия пыли и воды соответствует IP54 по ГОСТ 14254-80. [3]

Для контроля качества продуцируемого кислорода будет использован газоанализатор ПКГ-4/8-К-МК-С-16А. Он является наиболее сложной модификацией газоанализаторов О₂ из всей представленной линейки приборов. Предназначена для измерения и регулирования концентрации кислорода одновременно в нескольких точках (возможно подключение к одному измерительному блоку от 1 до 8 преобразователей О₂).

ПКГ-4/8-К-МК-С-хР-хА широко используется для определения состава воздуха рабочей зоны одновременно в нескольких помещениях (производственных, складских или жилых), а также содержания кислорода одновременно в нескольких газовых магистралях с последующей передачей данных на один компьютер.

Отличительные особенности

- наличие USB интерфейса связи с компьютером;

- возможность установки до шестнадцати встроенных устройств коммутации (реле) для управления внешними исполнительными устройствами (ПКГ-4/8-К-МК-С-16Р);

- возможность реализации до шестнадцати аналоговых выходов 4…20, 0…5, 0…20 мА с возможностью управления по ним (ПКГ-4/8-К-МК-С-16А);

- возможность совмещения в одном измерительном блоке прибора до восьми встроенных устройств коммутации (реле) и восьми аналоговых выходов (ПКГ-4/8 К-МК-С-8Р-8А);

- отображение параметров регулирования на передней панели блока измерения и индикации;

- объём памяти статистики до 30 тысяч точек записи;

- наличие нескольких режимов управления: логическое, по гистерезису, ПИД-управление. Программа управления по каждому каналу может содержать свыше 500 «шагов», длительность каждого «шага» до 36 часов.

Конструктивно блок управления выполняется в пластмассовом корпусе. Измерительные преобразователи выполняются в металлическом корпусе в виде «микрофона» или в виде проточной камеры.

Одним из режимов прибора является режим накопления данных. В данном режиме прибор с заданной периодичностью производит непрерывный циклический опрос датчиков кислорода, вычисляет текущие значения измеряемых параметров, записывает данные об измеренных значениях с привязкой к реальному времени. Более подробные характеристики приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - технические характеристики

Диапазон измерения кислорода, % об. доли	0…30 (0…100*)
Абсолютная погрешность измерения О2, при 20°С, % об.доли	±0,5 (±1*)
Питание прибора	20±10 В, 50±1 Гц
Количество каналов измерения	8
Виды сигнализации	звуковая, индикаторная
Количество порогов сигнализации	по 2 на каждый канал
Количество каналов управления	16
Нагрузочная способность реле	10 А, 220 В
Аналоговый выход, мА	4…20, 0…5, 0…20
Количество точек накопления статистики	30000
Срок службы датчика, лет, не менее	5
Условия эксплуатации: - температура воздуха, °С - относительная влажность (без конденсации), % - атмосферное давление, кПа	-40…+50 30…98 84…106,7
Удаление измерительного зонда от прибора, м.	10 (1000**)
Габаритные размеры измерительного блока, не более, мм	235Ч90Ч235
Масса измерительного блока, не более, кг	1,5
Связь с компьютером	RS-232, RS-485, USB

3.3 Описание функциональной схемы автоматизации

Функциональная схема автоматизации - это основной технический документ, определяющий функционально-блочную структуру отдельных узлов автоматического контроля, управления и регулирования технологического процесса, оснащение объекта управления приборами и средствами автоматизации.

Объектом управления в системах автоматизации технологических процессов является совокупность основного и вспомогательного оборудования вместе с встроенными в него запорными и регулирующими органами, а также энергии, сырья и других материалов, определяемых особенностями используемой технологии. [8]

Задачи автоматизации решаются наиболее эффективно тогда, когда они прорабатываются в процессе разработки технологического процесса. [9]

При разработке функциональной схемы автоматизации технологических процессов необходимо решить следующее:

получение первичной информации о состоянии технологического процесса и оборудования;

непосредственное воздействие на технологический процесс для управления им;

стабилизация технологических параметров процесса;

контроль и регистрация технологических параметров процесса и состояния технологического оборудования.

Результатом составления функциональной схемы автоматизации является выбор методов измерения технологических переменных и основных технических средств автоматизации; определение приводов исполнительных механизмов регулирующих и запорных органов технологического оборудования; размещение средств автоматизации на щитах, пультах, технологическом оборудовании, трубопроводах и определение способов отображения информации о состоянии технологического процесса и оборудования. [10]

Автоматизированная система управления процессом производства кислорода предусматривает:

программное управление отсечными клапанами, определяющими работу адсорберов;

контроль давления газов на выходе из адсорберов и в газгольдерах;

регулирование температуры газа на выходе из теплообменника;

управление и блокировку вакуум-насоса, компрессора и воздуходувки

Регулирование температуры газа на выходе из теплообменника осуществляется по следующему контуру:

Для примера рассмотрим контур регулирования температуры на выходе теплообменника 13.



Рисунок 3.13 - контур регулирования температуры

Сигнал о температуре продукционного кислорода на выходе из теплообменника 13 снимается термометром сопротивления с унифицированным выходным сигналом TE 26а (ТСПУ-205). Этот датчик запитывается блоком питания PY 18а (БП-96/4). Далее сигнал поступает на модуль I-8014W, входящего в состав управляющего комплекта контроллера и модулей УСО серии I-8000 (на рисунке условно обозначено как TC). В модуле сигнал 4…20 мА преобразуется в цифровую форму и по сети стандарта RS-485 направляется в контроллер, где обрабатывается. Управляющий сигнал контроллер посредством сети RS-485 направляет на модуль дискретного вывода I-8041. Дискретный сигнал управления через промежуточное реле NS 23в (R4-24) осуществляет управление электрическим отсечным клапаном 23в (EV-220A).

Контроль давления в адсорберах, газгольдерах осуществляется по идентичной схеме.

Рисунок 3.14 - контур контроля давления

Например, сигнал о давлении в адсорбере 4 снимается датчиком давления PT 14а (АИР-20/М2-ДИ), имеющего унифицированный выходной сигнал 4-20 мА. Этот датчик запитывается блоком питания PY 1a (БП-96/4). Сигнал 4-20 мА поступает модуль аналогового ввода I-8014, входящего в состав управляющего комплекта контроллера и модулей УСО серии I-8000 (на рисунке условно обозначено как PC). В модуле аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму и по сети стандарта RS-485 направляется в контроллер, где обрабатывается.

Управление запорной арматурой (отсечными клапанами) также осуществляется по идентично построенным контурам.

Рисунок 3.15 - контур управления отсечными клапанами

Контроллер (условно показано как РС) в соответствии с заложенным алгоритмом вырабатывает команду на открытие, например, клапана 37б. Эта команда посредством сети RS-485 направляется на модуль дискретного вывода I-8041. Дискретный сигнал управления через промежуточное реле NS 37б (R4-24) осуществляет управление электрическим отсечным клапаном 37в (EV-220A).

Наибольший интерес представляет собой контур управления отсечными клапанами адсорберов. Именно эти контуры отвечают за правильную работу установки и качество продуцируемого кислорода.

Рисунок 3.16 - контур контроля концентрации кислорода

Например, сигнал о содержании кислорода на выходе адсорбера 2 снимается датчиком QE4а (ИПК01), этот датчик преобразовывается в блоке газоанализатора QY4a (ПКГ-4/8-К-МК-С-16А) в унифицированный токовый сигнал 4-20 мА, который поступает модуль аналогового ввода I-8014W, входящего в состав управляющего комплекта контроллера и модулей УСО серии I-8000 (на рисунке условно обозначено как PC). В модуле аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму и по сети стандарта RS-485 направляется в контроллер, где обрабатывается.

3.4 Составление спецификации средств автоматизации

Одновременно с выполнением ФСА составляют спецификацию на оборудование. Согласно ГОСТ 21.110-82 спецификация оборудования состоит из разделов, которые располагают в следующей последовательности: оборудование и материалы, поставляемые заказчиком; оборудование, поставляемое подрядчиком; оборудование, имеющееся на предприятии и используемое при расширении, реконструкции или техническом переоборудовании предприятия (см. приложение А).

Спецификация предназначена для чтения проектной документации, составления на ее основе заказной документации и подготовки производства работ по монтажу технических средств автоматизации.

Выводы к разделу 3

В данном разделе был осуществлен выбор структуры проектируемой АСУ ТП, на основании требований, выдвинутых в ТЗ был осуществлен подбор ПТК, спроектирована функциональная схема автоматизации и составлена спецификация оборудования.

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

4.1 Разработка принципиальной схемы электропитания

Система электропитания средств автоматизации должна обеспечивать необходимую надежность (бесперебойность) питания, соответствующее качество питания, экономичность, удобство и безопасность обслуживания.

Аппаратура управления и защиты, устанавливаемая в системе электропитания, должна обеспечивать: включение-отключение электроприемников и участков сетей в нормальном режиме работы, защиту от всех видов коротких замыканий и от перегрузок, надежное соединение электроприемников и линий для их ревизии и ремонтных работ [11].

В питающих сетях используются автоматические выключатели, которые удобны в работе, более точны, надежны и безопасны в работе, обладают многократностью действия. По виду защиты выберем автоматический выключатель с электромагнитными расцепителями, имеющей в каждой питающей фазе электромагнитное реле максимального тока. Когда ток в цепи превысит определенное значение, сердечник реле вытягивается и при помощи определенного механизма, контакты автоматически размыкаются.

Принципиальные схемы являются отражением, с достаточной полнотой и наглядностью, взаимной связи между отдельными средствами автоматизации с учётом последовательности их работы и принципа действия.

В разработанной схеме электропитания приборов и средств автоматизации использовано следующее оборудование: выключатель автоматический с электромагнитными расцепителями ВА47-29-16А - 1 шт, ВА47-29-10А - 3 шт, ВА47-29-1А - 33 шт;

4.2 Разработка схемы внешних соединений

На схемах внешних соединений изображают прокладываемые вне шкафов электрические провода, кабели, импульсные, командные, питающие, продувочные и дренажные трубопроводы, защитные трубы с указанием их типа (марок) и длины [10].

К схемам внешних соединений предъявляются следующие требования.

1. Схемы внешних проводок должны содержать сведения, на основании которых можно установить, на основании какого чертежа следует выполнять установку прибора или шкафа на листе монтажа, их позицию по заказной спецификации и сводную спецификацию кабелей, проводов, труб и арматуры, предусмотренной данной схемой.

2. Первичные приборы и щиты должны быть соединены между собой электрическими кабелями и проводами.

3. Для соединения разветвлений электрических кабелей на схеме должны быть показаны электрические соединительные коробки.

На чертежах схем внешних соединений в виде условных обозначений показываются:

Отборные устройства и средства, первичные преобразователи, встраиваемые в технологическое оборудование и трубопроводы;

Приборы и средства автоматизации, устанавливаемые вне шкафа;

Вспомогательные устройства (соединительные и протяжные коробки);

Устройства заземления шкафов, приборов и других токоприемников.

Первичные приборы и шкафы соединяют между собой электрическими кабелями и проводами. Для электропроводок систем автоматизации применяются изолированные провода и кабели с алюминиевыми и медными жилами. Кабели и провода с медными жилами применяются в следующих случаях: в цепях термопреобразователей, в цепях измерения, управления, питания, сигнализации, во взрывоопасных установках.

Для соединения разветвлений электрических кабелей на схеме показывают электрические соединительные коробки.

Для электрических проводок систем автоматизации при всех способах прокладки применяют защищенные и незащищенные изолированные провода с поливинилхлоридной изоляцией, которые предназначены для эксплуатации при температуре окружающей среды +50; -50 °С и отно...