Размещено на http://allbest.ru

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А.В. Вильнина

Разработка системы управления технологическим процессом

(по заданию)

Учебно-методическое пособие к выполнению курсового проекта

по курсу "Системы управления химико-технологическими процессами"

для студентов V курса

физико-технического института

Томский политехнический университет

2013

Содержание

Введение

1. Общие сведения

1.1 Выбор темы курсового проекта

1.2 Требования к оформлению и содержанию проекта

2. Разработка функциональной схемы автоматизации

2.1 Общие принципы выполнения функциональных схем автоматизации

2.2 Выбор первичных преобразователей

2.3 Изображение технологического оборудования и коммуникаций, приборов и средств автоматизации

2.3.1 Изображение измерительных и преобразовательных приборов. Функциональное обозначение и функциональные признаки.

2.3.2 Изображение подключения прибора с аппаратом или трубопроводом

2.3.3 Условные графические обозначения средств автоматизации (исполнительный механизм, регулирующий орган и т.д.).

2.3.4 Примеры построения условных обозначений приборов и средств автоматизации

2.4 Требования к оформлению функциональных схем автоматизации

2.5 Позиционное обозначение приборов и средств автоматизации

2.6 Примеры выполнения схем контроля и регулирования

2.6.1 Схемы контроля температуры

2.6.2 Схемы контроля давления

2.6.3 Схемы контроля уровня и расхода

2.6.4 Схема управления электродвигателем

3. Разработка структурной схемы системы автоматического регулирования

3.1 Выбор законов регулирования

3.2 Выбор исполнительного механизма по виду используемой энергии

4. Использование ЭВМ в управлении технологическими процессами

Литература

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

проект схема автоматизация технологический процесс



Введение

На современном этапе уровень развития химической промышленности в основном определяется степенью автоматизации производства. Система автоматического контроля, включающая в себя контрольно-измерительные приборы, позволяет оценивать состояние химико-технологического процесса, а с помощью введения системы автоматического управления повысить производительность труда и качество продукции. Так же автоматизация химического производства позволяет улучшить санитарно-гигиенические условия работы, повысить социальную эффективность труда, уменьшить отрицательное воздействие на окружающую среду.

В свою очередь при разработке автоматизированной системы управления именно специалист в области химической технологии (инженер химик-технолог) определяет постановку задачи для инженера по автоматике, определяет параметры процесса, которые необходимо поддерживать на нужном уровне, а также допуски на возможные отклонения в процессе управления, указывает возможные каналы управления. Однако грамотная постановка задачи на управление невозможна без необходимых знаний инженера химика-технолога о структурах и функциях систем управления, основах их анализа и синтеза.

Основными целями курсового проектирования (как формы самостоятельной работы студентов) являются:

закрепление и расширение теоретических знаний, полученных студентами при изучении курса "Системы управления химико-технологическими процессами".

выработка навыков инженерного подхода к выбору автоматического регулятора и определению его параметров настройки.

развитие творческого подхода к проектированию систем автоматизации технологических процессов.

Заданием предусматривается разработка функциональной схемы автоматизации какого-либо технологического процесса, изучаемого в рамках специальностей 240600 и 240603, на уровне комплексной автоматизации и разработка структурной схемы контура автоматического регулирования основного технологического параметра при условии использования только серийно выпускаемых приборов и средств автоматизации. Это обязывает студента изучать учебную и научно-техническую литературу, пользоваться стандартами и другими нормативными документами, периодическими изданиями и другими источниками, содержащими информацию о современных достижениях науки и техники в данной отрасли.

Важной частью задания является технически обоснованный выбор приборов и средств автоматизации, необходимых для построения функциональной схемы автоматизации и структурной схемы контура управления заданным технологическим параметром.

Данным проектом завершается обучение студентов методам, приборам и средствам автоматического контроля и регулирования технологических процессов.

1. Общие сведения

Задание на проектирование студенту выдается на одном из первых занятий по расписанию, но обычно после получения задания на курсовой проект по специальной технологии. Совмещение заданий на курсовой проект по автоматике в части объекта управления с курсовым проектом по специальной технологии позволяет студентам более осознанно разрабатывать систему управления. Тема задания, исходные данные о свойствах объекта управления и требования к качеству регулирования формулируются с учетом автоматизируемого технологического процесса.

Рекомендуется придерживаться последовательности этапов выполнения курсового проекта, указанной в перечне разделов основной части пояснительной записки (п. 2). График выполнения проекта приведен в рейтинг-плане (таблица 1).

Консультации по проекту проводятся один раз в неделю по расписанию. Посещение консультаций по расписанию учебных занятий и работа на них в аудитории являются обязательными для всех студентов. Неявка студента на аудиторное занятие по неуважительной причине оценивается нулевым баллом.

Пояснительная записка, представляемая на проверку руководителю проектирования, должна содержать все необходимые для ее оценки графические материалы без демонстрационных листов. После проверки записка возвращается для устранения отмеченных недостатков, изготовления демонстрационных материалов и подготовки студента к защите.

Таблица 1.

№ п/п	Наименование этапа	Срок контроля, неделя	Количество баллов при сдаче
			в срок	задержка на 1 неделю	задержка более 1 недели
1	Разработка ФСА	5	250	200	150
2	Разработка структурной схемы	8	200	175	150
3	Оформление пояснительной записки	11	200	175	150
4	Оформление графического материала	14	200	175	150
5	Подготовка к защите проекта	16	150	110	70

Регламент проведения защиты: доклад студента - не более 10 минут, ответы на вопросы - в пределах 10 минут. Студентом защищаются разработанные им функциональная и структурная схемы. После доклада студенту могут быть предложены по представленным проектным документам дополнительные вопросы по программе дисциплины "Системы управления химико-технологическими процессами".

Результатом защиты является дифференцированный зачет (оценка). Она определяется навыками студента в области умственного труда: способностью применять целесообразно знания, приобретенные при изучении курса, глубиной анализа самостоятельно изученного материала, аргументированностью выводов, технической грамотностью при оформлении проектных документов.

1.1. Выбор темы курсового проекта

Тема курсового проекта определяется, с одной стороны, аппаратурным оформлением и видом технологического процесса, для которого требуется разработать функциональную схему автоматизации, а с другой стороны - технологическим параметром, для автоматического управления которым требуется построить одноконтурную локальную систему автоматического регулирования.

Тематика курсового проекта по автоматике может быть предложена сотрудником выпускающей кафедры, под руководством которого студент выполняет научно-исследовательскую или учебно-исследовательскую работы, либо руководителем курсового проектирования по спецтехнологии гидрометаллургического производства, но задание выдается только руководителем проекта по автоматике.

Исходные данные о свойствах объекта регулирования и заданные показатели качества управления по предложению студента могут корректироваться, уточняться и дополняться, если, по мнению, руководителя, это будет способствовать созданию более совершенной системы автоматического контроля и регулирования и позволит студенту более полно проявить свои способности к творчеству. Творческий подход студента к решению поставленной задачи всемерно поощряется руководителем проектирования, но в каждом случае студент обязан самостоятельно и обоснованно выбрать наилучшее, по его мнению, техническое решение, а руководитель лишь направляет поиски студента. Образец бланка задания на курсовой проект приведен в Приложении 1.

1.2. Требования к оформлению и содержанию проекта

Проект представляется в виде двух частей - графической и текстовой. Графические материалы состоят из одного листа форматом А3 (не менее), на котором представлена функциональная схема автоматизации технологического процесса.

Текстовая часть представляет собой пояснительную записку объемом не более 1520 листов рукописного текста. Правила оформления пояснительной записки изложены в стандарте ТПУ СТП ТПУ 2.5.01-99 "РАБОТЫ ВЫПУСКНЫЕ КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ, ПРОЕКТЫ И РАБОТЫ КУРСОВЫЕ. Общие требования и правила оформления". Текст стандарта можно найти на интернет-сайте ТПУ или в компьютерной сети ФТФ по адресу L:\STUDY\СУХТП\Курсовой проект).

Пояснительная записка должна содержать (согласно СТП ТПУ 2.5.01-99):

титульный лист;

задание;

реферат;

содержание;

введение (актуальность темы, преимущества автоматизации);

основная часть;

заключение;

список использованных источников;

приложения.

На титульном листе указываются, кроме автора проекта и руководителя, технический консультант - сотрудник выпускающей кафедры, под руководством которого выполняется работа, послужившая темой для данного проекта.

Стиль изложения материала должен быть строгим, лаконичным, предельно ясным, не допускающим произвольного и разноречивого толкования высказывания и утверждений. Наименование разделов и подразделов должно быть кратким и соответствовать содержанию. Перенос слов в заголовках не допускается. В тексте не допускаются грамматические и синтаксические ошибки, а также сокращенное написание слов за исключением разрешенных стандартом ОСТ 45.180-2000.

Ссылка на литературный источник, из которого заимствована формула, проставляется по тексту в конце предложения, непосредственно перед написанием формулы. Все входящие в формулу символы и коэффициенты разъясняются непосредственно под формулой.

Материалы, заимствованные из литературных источников, необходимо зафиксировать ссылкой на них. Ссылки указывают по тексту в квадратных скобках: нумерация проводится арабскими цифрами и соответствует номеру источника в списке использованных источников. В ссылке рекомендуется указывать страницы, где находится заимствованный материал, например: [20, стр.15].

Поясняющие иллюстрации (графики, рисунки) выполняются в произвольном масштабе с соблюдением правил черчения, стандартов их выполнения и помещаются ближе к соответствующему тексту или в конце записки в виде приложения. Ссылки на иллюстрации, приведенные в технической или учебной литературе, в записке не допускаются. Необходимые иллюстрации выполняются в виде копии и размещают в записке.

Основная часть курсового проекта посвящена составлению функциональной схемы автоматизации технологического процесса, структурной схемы контура регулирования основного технологического параметра и расчету параметров регулятора этого контура.

Разделы основной части:

· описание технологического процесса и его аппаратурного оформления, достаточное для обоснованного выбора элементов и средств автоматики;

· разработка функциональной схемы автоматизации, для чего необходимо разработать:

§ перечни технологических параметров, подлежащих контролю (температура, расход, уровень, концентрация и др.), регулированию, с указанием номинальных значений, что необходимо для выбора средств технологических измерений;

§ перечень событий, подлежащих сигнализации, исходя из требований безопасного ведения технологического процесса с учетом таких факторов как: регламент, инструкций по пуску, ведению и останову процесса, признаков аварийных ситуаций [1];

§ перечень приборов, выбранных для измерения технологических переменных;

§ перечень задач (с описанием), решаемых с использованием ЭВМ для управления процессом, режимы работы ЭВМ в тех или иных контурах управления, управляющие функции, предназначенные для реализации на ЭВМ;

§ описание функциональной схемы автоматизации, включающее действия оператора-технолога при пуске, нормальном режиме ведения технологического процесса и смене производительности;

· разработка структурной схемы контура регулирования основного технологического параметра;

§ определение параметров настройки регулятора и определение показателей качества регулирования;

§ выбор датчика регулируемой величины;

§ выбор исполнительного механизма и регулирующего органа;

§ описание структурной схемы.



2. Разработка функциональной схемы автоматизации

Разработку функциональной схемы автоматизации процесса начинают с всестороннего анализа объекта управления. В ходе анализа должно быть установлено назначение, устройство, принцип работы автоматизируемого объекта, определяются его входные, режимные и выходные параметры. Особое внимание необходимо уделить выявлению возмущающих воздействий и помех, чтобы устранить их действие, и возможных управляющих воздействий, изменением которых можно регулировать выходные и режимные параметры.

Функциональная схема автоматизации разрабатывается на уровне частичной или комплексной автоматизации объекта. Для повышения надежности системы управления предусматривается возможность ведения технологического процесса как в режиме автоматического, так и ручного дистанционного управления и переключение режимов управления. Управление объектом должно быть централизованным и осуществляться из операторских пунктов. На местных щитах контроля размешаются контрольно-измерительные и управляющие приборы, необходимые в период отладки и запуска технологического процесса. На щитах и пультах операторских пунктов размещают необходимые контрольно-измерительные приборы, по которым оператор наблюдает за ходом технологического процесса, автоматические регуляторы, изменением уставок которых оператор управляет технологическим процессом, а также пускорегулирующие приборы дистанционного управления (переключатели, кнопки управления, ручные задатчики и т.д.).

Функциональную схему выполняют в виде чертежа, на котором схематически, условными изображениями (согласно ГОСТ 21.404-85) показывают технологическое оборудование, коммуникации, органы управления, приборы и средства автоматизации и связи между ними. Схему необходимо проработать с такой степенью детализации, которая дает не только полное представление о принятых решениях по автоматизации, но и обеспечивает составление заявочных ведомостей на все необходимые приборы и средства автоматизации.

2.1. Общие принципы выполнения функциональных схем автоматизации

При разработке функциональных схем автоматизации необходимо руководствоваться следующими общими принципами [2]:

Система автоматизации должна строиться на базе серийно выпускаемых средств автоматизации. При этом необходимо стремиться к применению однотипных средств автоматизации и предпочтительно унифицированных систем, характеризуемых простотой сочетания, взаимозаменяемостью и удобством компоновки.

В качестве локальных средств сбора и накопления первичной информации (автоматических датчиков), вторичных приборов, регулирующих органов и исполнительных устройств следует использовать исключительно приборы и средства автоматизации Государственной системы промышленных приборов (ГСП).

Выбор средств автоматизации, использующих электрическую или пневматическую энергию, определяются условиями пожаро- и взрывоопасности объекта автоматизации, агрессивностью перерабатываемых веществ и окружающей среды, требованиями к быстродействию, дальностью передачи информационных и управляющих сигналов т. д.

Количество приборов, аппаратуры управления и сигнализации, устанавливаемой на оперативных щитах и пультах, ограничивается: избыток их усложняет эксплуатацию, отвлекает внимание операторов от наблюдения за основными приборами, определяющими ход технологического процесса; увеличивают стоимость установки, сроки монтажных и наладочных работ.

Средства автоматизации и приборы должны иметь класс точности, который определяется действительными требованиями автоматизируемой установки.

Отсутствие серийных приборов должно восполняться выдачей технических заданий на разработку новых средств автоматизации.

Важное место в разработке управляющей системы отводится выбору сигнализируемых событий и противоаварийных мероприятий. Сигнализации подлежат все параметры, изменение которых может привести к аварии или серьезному нарушению технологического режима, наиболее ответственные режимные параметры, показатели эффективности. Сигнализация подразделяется на предупредительную и аварийную, световую и звуковую.

После разработки функциональной схемы автоматизации, необходимо провести ее полный анализ, описав работу оператора-технолога по управлению рассматриваемым технологическим процессом при пуске, номинальном режиме работы оборудования и изменении его производительности.

2.2. Выбор первичных преобразователей

При выборе первичных преобразователей и датчиков измеряемых величин необходимо руководствоваться следующими требованиями:

Условия в точке установки прибора должны соответствовать условиям его эксплуатации, указанным заводом-изготовителем.

Номинальное значение измеряемой величины должно лежать в последней трети шкалы прибора. При этом диапазон измерения прибора выбирается из стандартного ряда или из ряда, указанного заводом-изготовителем.

Прибор должен быть устойчив к повреждающим воздействиям измеряемой среды: абразивности, химической агрессивности и т.д.

Метрологические характеристики приборов должны обеспечить измерения с требуемой для данного процесса точностью, т.е. выбор прибора по диапазону показаний и классу точности должен быть обоснован [1].

Не допускается применение разнообразных методов измерения одного и того же параметра, что может привести к расширению номенклатуры приборов и затруднению организации их ремонта, а так же создание резерва.

2.3. Изображение технологического оборудования и коммуникаций, приборов и средств автоматизации

Функциональная схема автоматизации должна развертываться слева направо. Технологические объекты изображает упрощенно, по контуру, но форма и пропорции отдельных частей должны соответствовать реальным прототипам. Если плоскостное изображение не отражает особенности устройства аппарата, то его вид приводят в аксонометрии или в разрезе. Схема вычерчивается без строгого соблюдения масштаба, но пропорции, соответствующие габаритам аппаратов, приборов должны выдерживаться. Допускается, но не рекомендуется, изображение объектов управления в виде прямоугольников. Возможны также графические обозначения аппаратов и машин, построенные по их функциональным признакам и обозначения, отражающие принцип действия машин и аппаратов. Каждый технологический аппарат выполняет в технологической цепочке свое функциональное назначение, соответствующее название аппарата или другого технологического оборудования вписываются в контуры их изображений или рядом, если их размеры недостаточны. Цифровые и цифробуквенные обозначения технологических аппаратов поясняются таблицей с перечнем оборудования, которая вычерчивается на свободном поле листа.

Правильно построенная схема равномерно заполняет все поле листа элементами технологического оборудования, приборами и средствами автоматизации с минимальным количеством пересечений и перегибов линий, обозначающих трубопроводы и соединительные линии.

Коммуникации жидкости, газа и пара изображает по ГОСТ 2.784-96. Цифровое обозначение среды трубопровода дополняется буквенными индексами, например: вода - 1, вода горячая - 1Г, вода холодная - 1X [3]. Для облегчения чтения схем на обозначениях трубопроводов проставляют стрелки, указывающие направление движения вещества, приводят обозначение запорных устройств, имеющих принципиальное значение. Толщина линий, обозначающих трубопроводы, от 0,6 до 1,5мм, допускается использование цветных линий.

Условные графические обозначения выполняют по ГОСТ 21.404-85. Этим документом регламентированы буквенные обозначения основных измеряемых и регулируемых величин, а также функциональных признаков измерительных, регулирующих и преобразующих приборов и устройств. Размеры изображений ГОСТ 21.404-85 не устанавливает. В проектах размеры этих изображений рекомендуется брать соответствующие отраслевому стандарту ОСТ 36-27-77 «Обозначения условные в схемах автоматизации технологических процессов».

2.3.1. Изображение измерительных и преобразовательных приборов. Функциональное обозначение и функциональные признаки.

Согласно этим стандартам, все местные измерительные и преобразовательные приборы, установленные на технологическом объекте, изображаются на функциональных схемах автоматизации в виде окружности диаметром 10 мм, внутрь которой вписывают буквенное обозначение. Если приборы размещаются на щитах и пультах в центральных или местных операторных помещениях, то внутри окружности проводится горизонтальная линия, делящая окружность пополам. (рисунок 1).

Рисунок 1. а) первичный измерительный преобразователь (датчик) или прибор, устанавливаемый по месту (на технологическом трубопроводе, аппарате); б) прибор, устанавливаемый на щите, пульте.

Внутрь окружности вписываются (рисунок 2) [4]:

- в верхнюю часть - функциональное обозначение (обозначения контролируемых, сигнализируемых или регулируемых параметров, функциональные признаки прибора);

- в нижнюю - позиционное обозначение прибора.

Рисунок 2. Пример построения условного обозначения прибора для измерения, регистрации и регулирования перепада давлений.

Буквенные обозначения строятся на основе латинского алфавита и дает необходимые сведения о предусмотренных проектом средствах автоматизации: об измеряемой величине и функциях, выполняемых прибором по отображению измерительной информации, о преобразовании сигналов и формировании выходных воздействий [1]. Как видно из рисунка все обозначения прибора сводятся в три группы: 1-ая группа - функциональное обозначение измеряемой величины; 2-ая группа - уточнение измеряемой величины; 3-ая группа - функциональные признаки прибора (в эту группу может входить несколько буквенных обозначений). Так как уточнение измеряемой величины, относящееся ко 2-ой группе, является не обязательной, то она может отсутствовать и после обозначения измеряемого параметра (1-ая группа) идут сразу функциональные признаки прибора (3-я группа).

На первом месте стоит функциональное обозначение измеряемой величины (1-ая группа), которая обозначается следующим образом (таблица 2):

Таблица 2

Обозначение	Измеряемый параметр
D	плотность
Е	любая электрическая величина (допускается конкретизация измеряемой электрической величины справа от условного графического изображения прибора, например напряжение, сила тока)
F	расход
G	положение, перемещение
Н	ручное воздействие
К	временная программа, время
L	уровень
М	влажность
Р	давление, вакуум
Q	состав смеси, концентрация (для конкретизации измеряемой величины справа от условного графического изображения прибора необходимо дать ее наименование или символ, например pH, O2)
R	радиоактивность (для конкретизации измеряемой величины справа от условного графического изображения прибора допустимо указать вид радиоактивности)
S	скорость (линейная или угловая), частота
Т	температура
U	разнородные величины (подробная расшифровка измеряемых величин должна быть дана около прибора или на свободном поле схемы)
V	вязкость
W	масса

Для получения более подробной информации необходимо руководствоваться ГОСТом 21.404-85.

На втором месте приводится обозначение уточняющего характера, которое, как было сказано выше, является не обязательной (2-ая группа, таблица 3):

Таблица 3

Обозначение	Уточняющее значение
D	разность, перепад
F	соотношение, доля, дробь
J	автоматическое переключение, обегание
Q	суммирование по времени, интегрирование

3-я группа символов (несколько букв) несет информацию о функциях и функциональных признаках прибора (таблица 4):

Таблица 4

Обозначение	Функциональный признак прибора
А	сигнализация (сигнализируемые предельные значения измеряемых величин следует конкретизировать добавлением букв H (верхнее значение) и L (нижнее значение), которые проставляют справа от условного графического изображения прибора)
I	показания
R	регистрация
С	регулирование
S	включение, отключение, переключение (эту букву не следует применять для обозначения функции регулирования, в том числе двухпозиционного)
Y	преобразование сигналов, вычислительная функция
Е	первичное преобразование (обозначение чувствительных элементов: термоэлектрического преобразователя, термопреобразователя сопротивления, сужающих устройств расходомеров и т.п.)
Т	промежуточное преобразование, передача сигналов на расстояние (обозначение дистанционной передачи)
К	переключение, управления с ручного на автоматическое и обратно, управление по программе, коррекция

Так же согласно ГОСТу 21.404-85 существуют дополнительные буквенные обозначения, применяемые для построения преобразователей сигналов, вычислительных устройств, например преобразователь пневматического сигнала в электрический, преобразователь для суммирования сигналов.

2.3.2. Изображение подключения прибора с аппаратом или трубопроводом.

Отборное устройство для всех постоянно подключенных приборов изображают сплошной тонкой линией, соединяющей технологический трубопровод или аппарат с прибором (рисунок 3) [5].

Рисунок 3.

При необходимости указания конкретного места расположения отборного устройства (внутри контура технологического аппарата) его обозначают кружком диаметром 2 мм (рисунок 4) [5].

Рисунок 4.

2.3.3. Условные графические обозначения средств автоматизации (исполнительный механизм, регулирующий орган и т.д.)

Таблица 5

Наименование	Условное обозначение
Исполнительный механизм. Общее обозначение
Исполнительный механизм, который при прекращении подачи энергии (воздуха) или управляющего сигнала: а) открывает регулирующий орган (нормально открытый) б) закрывает регулирующий орган (нормально закрытый) в) оставляет регулирующий орган в неизменном положении
Регулирующий орган
Лампа накаливания (осветительная и сигнальная)
Машина электрическая (М - двигатель, Г - генератор)
Регулирующий орган с исполнительным механизмом



2.3.4. Примеры построения условных обозначений приборов и средств автоматизации

Таблица 6

Требования к оформлению функциональных схем автоматизации

Функциональная схема автоматизации совмещается с упрощенной технологической схемой. Изображение технологического оборудования размещается в верхней части листа. Приборы и средства автоматизации, встраиваемые или механически связанные с технологическим оборудованием и коммуникациями, изображаются на чертеже в непосредственной близости к оборудованию. К таким средствам автоматизации относятся:

датчики технологических параметров;

исполнительные механизмы;

регулирующие и запорные органы.

Вся остальная аппаратура автоматизации (вторичные приборы, функциональные блоки и переключатели цепей аппаратуры управления и т.д. ) показывается в нижней части чертежа в прямоугольниках, обозначающих пульты, щиты и кроссовые панели средств вычислительной техники (контролеров и автоматизированных рабочих мест), на которых физически размещаются средства автоматизации. Прямоугольники имеют произвольные размеры, но достаточные для нанесения условных графических обозначений устанавливаемых на них приборов и средств автоматизации, аппаратуры управления и сигнализации.

Функциональные связи между средствами автоматизации, размещенными на технологическом оборудовании и на щитах и пультах, показывают тонкими (0,20,3 мм) сплошными линиями. Связь дается в однолинейном изображении, т.е. независимо от фактического количества проводов и труб связь изображается одной линией. Рекомендуется все вводы сигналов в приборы показывать сверху, а выводы - снизу условных обозначений. Схему автоматизации рекомендуется выполнять с разрывом линий связи, т.е. адресным способом. При этом оба конца линии связи в местах разрыва обозначают одной и той же арабской цифрой. Обозначения (номера) линий связи располагают в горизонтальных рядах. Для нижнего ряда (со стороны щита местных приборов) номера должны следовать в возрастающем порядке слева направо, а для верхних рядов они могут располагаться как угодно. Допускается комбинированное изображение линий связи: и непрерывными линиями и адресным способом.

На линиях связи от датчиков указывают номинальные (а в скобках - предельные) рабочие значения измеряемых или регулируемых технологических параметров при номинальном режиме работы.

Сложные приборы, выполняющие несколько функций, разрешается изображать несколькими окружностями, расположенными слитно, например

Над основной надписью, по ее ширине, сверху вниз располагают таблицу непредусмотренных стандартом условных обозначений, принятых в функциональной схеме. Здесь же помещают таблицы, диаграммы, тексты и надписи, поясняющие характер и последовательность работы устройств, показанных на схеме.

Контуры технологического оборудования выполняют линиями толщиной 0,61,5 мм, приборы и средства автоматизации - 0,50,6 мм; прямоугольники, изображающие щиты, пульты - 0,62,5 мм.

2.4. Позиционное обозначение приборов и средств автоматизации

Всем приборам и средствам автоматизации, изображенным на функциональной схеме, присваивают буквенно-цифровые позиционные обозначения. Всем элементам комплекта приборов и средств автоматизации, выполняющим совместно определенную задачу, присваивается порядковый номер арабской цифрой. Нумерация ведется по комплектам слева направо. Отдельным элементам и устройствам (за исключением электроаппаратуры управления и сигнализации), соединенным линиями связи и входящим в измерительный, регулирующий или управляющий комплект (датчик, нормирующий преобразователь, переключатель, вторичный измерительный показывающий прибор, регулирующее устройство, исполнительный механизм, регулирующий орган), дополнительно присваивают буквенные индексы в порядке русского алфавита в последовательности передачи измерительной, сигнальной или командной информации, например, датчик - 7а, нормирующий преобразователь - 7б, вторичный показывающий прибор - 7в, регулятор - 7г и т.д. Вместо буквенных индексов могут использоваться цифры, например, датчик - 7-1, нормирующий преобразователь - 7-2, вторичный показывающий прибор - 7-3, регулятор - 7-4 и т.д.

Однотипным элементам комплекта (например, нескольким одинаковым по конструкции и характеристикам термопарам, присоединенным к одному прибору) присваивают одинаковые позиционные обозначения. Если исполнительный механизм и регулирующий орган изготовлены как одно целое устройство, то им присваивается на схеме одно позиционное обозначение.

Позиционные обозначения не присваивают отборным устройствам (термобаллон манометрического термометра, поплавковое устройство уровнемера, устройство отбора давления), приборам и средствам автоматизации, поставляемым комплектно с технологическим оборудованием. Электрическим приборам и аппаратам (лампы сигнальные, ключи и кнопки управления и отключения, магнитные пускатели, тиристорные преобразователи) на функциональной схеме присваивают обозначения, принятые на принципиальных электрических схемах управления.

Позиционные обозначения выполняет высотой 3,5 мм для цифр и 2,5 мм для букв. Номера позиций проставляют внизу условного обозначения средства автоматизации по ГОСТ 21.404-85 или вблизи условных обозначений приборов и средств автоматизации (по возможности с правой стороны или над ними).

Пример выполнения функциональной схемы автоматизации показан в Приложении 2.

2.5. Примеры выполнения схем контроля и регулирования

2.5.1. Схемы контроля температуры

Рисунок 5

Индикация и регистрация температуры (TIR) (рисунок 5).

1-1 Термоэлектрический преобразователь типа ТХА (применяется для измерения температуры газообразных и жидких химически агрессивных и неагрессивных сред, не разрушающих защитную арматуру), марка ТХА-0515, пределы измерения от -50 С до 900 С, класс точности 2.

1-2 Преобразователь термоЭДС в стандартный (унифицированный) токовый сигнал 0…5 мА.

1-3 Вторичный прибор (миллиамперметр показывающий регистрирующий).

Индикация, регистрация (TIR) и регулирование (TС) температуры (рисунок 6).

Рисунок 6

2-1 Термоэлектрический преобразователь типа ТХА (предназначен для измерения температуры во взрывоопасных зонах, в нейтральных и агрессивных сред, не разрушающих защитную арматуру), марка ТХАУ Метран-271 с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА, пределы измерения от 0 С до 1000 С, класс точности 1. Чувствительный элемент данного первичного преобразователя (ТХАУ Метран-271) и встроенный в головку датчика измерительный преобразователь преобразует измеряемую температуру в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей [6].

2-2 вторичный прибор (миллиамперметр показывающий регистрирующий).

2-3 регулирующий блок (регулятор).

2-4 исполнительное устройство (запорно-регулирующий клапан с электрическим исполнительным механизмом).

Индикация, регистрация, сигнализация и регулирование температуры с помощью потенциометра КСП (TIRСA) (рисунок 7).

3-1 Термоэлектрический преобразователь типа ТХАУ (предназначен для измерения температуры во взрывоопасных зонах, в нейтральных и агрессивных сред, не разрушающих защитную арматуру), марка ТХАУ Метран-271 с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА, пределы измерения от 400 С до 900 С, класс точности 1.

3-2 Автоматический электронный потенциометр со встроенными устройствами регулирования и сигнализации, тип КСП-4.

3-3 Исполнительное устройство (запорно-регулирующий клапан с электрическим исполнительным механизмом).

Рисунок 8

Измерение, регистрация температуры многоточечным прибором (TJIR), тип КСМ-4 (рисунок 8).

4-1, 4-2, 4-3 термопреобразователи сопротивления типа ТСП (предназначен для измерения температуры во взрывоопасных зонах, в нейтральных и агрессивных сред, не разрушающих защитную арматуру), марка ТСПУ Метран-276 с унифицированным выходным сигналом 0-5 мА, пределы измерения от 0 С до 200 С, класс точности 0,5.

4-4 вторичный прибор (многоточечный электронный мост КСМ-4).

2.5.2. Схемы контроля давления

Рисунок 9

Индикация и регистрация давления газа в трубопроводе (PIR) (рисунок 9).

5-1 Измерительный преобразователь избыточного давления пневматический, марка 13ДИ13, предназначен для преобразования в унифицированный пневматический выходной сигнал давления жидких и газообразных сред, в том числе газообразного кислорода. Класс точности 1, верхний предел измерения 10 кгс/см².

5-2 Вторичный прибор контроля давления пневматический самопишущий, марка ПВ4.2П.

Другой вариант:

5-1 Первичный передающий преобразователь избыточного давления нейтральных и агрессивных сред со стандартным токовым выходом 0…5 мА, марка Сапфир-22ДИ, класс точности 0,5.

5-2 Вторичный прибор контроля давления элктрический самопишущий, например электронный мост (КСП).

Индикация, регистрация и регулирование давления (PIRK, PC) (рисунок 10)

Рисунок 10

6-1 Пневматический первичный преобразователь давления, предел измерения 0… 1,6 МПа, выходной сигнал 0,02…0,1 МПа, марка МС-П-2 (манометр сильфонный с пневмовыходом).

6-2 Вторичный прибор типа ПВ10.1Э. Предназначены для трехрежимного ведения процесса: ручного управления, автоматического регулирования, контроля и записи регулируемого параметра. Приборы применяется в АСУТП в химической, нефтяной, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. В приборах типов ПВ10.1Э, привод диаграммы осуществляется электрическим синхронным двигателем. Действие прибора основано на компенсационном принципе измерения, при котором усилие на приемном элементе, возникающее от входного давления, уравновешивается усилием от натяжения пружины обратной связи. Приборы могут быть использованы для работы с пневматическими датчиками или другими устройствами, выдающими унифицированные аналоговые сигналы 20...100 кПа.

6-3 Пневматическое устройстройство регулирующее пропорционально-интегральное, марка ПР3.31.

6-4 Пневматическое исполнительное устройство

2.5.3. Схемы контроля уровня и расхода

Для измерения расхода жидкости первичные преобразователи устанавливаются в сечении трубопровода, поэтому на схеме, как правило, изображаются встроенными в трубопровод.

Индикация, регистрация и регулирование расхода (FIRK, FC) (рисунок 11).



Рисунок 11

7-1 Диафрагма марки ДК6-50 (сужающее устройство). Условное давление 0,6МПа, условный проход 50 мм.

7-2 Передающий преобразователь расхода с пневмовыходом, марка 13ДД11, (для пневматики) или Сапфир-22ДД (для электрической схемы).

Преобразователь измерительный разности давления пневматический 13ДД11 предназначен для работы в системах автоматического контроля и управления производственными процессами с целью выдачи информации в виде унифицированного пневматического сигнала о перепаде давления, расходе жидкости и газа, а также уровне жидкости. Преобразователи эксплуатируются совместно с вторичными регистраторами и регуляторами, работающими от стандартного сигнала 20-100 кПа. Преобразователи широко применяются в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической промышленностях и ряде других областей.

Сапфир-22ДД предназначен для преобразования величины избыточного давления жидких и газовых сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи, для работы в системах контроля, учета, регулирования технологическими процессами.

7-3 Вторичный прибор типа ПВ10.1Э (для пневматики) или электронный мост (для электрической схемы).

7-4 Пневматическое устройстройство регулирующее пропорционально-интегральное, марка ПР3.31 (для пневматики) или электрическое регулирующее устройство (для электрической схемы).

7-5 Мембранное исполнительное устройство (клапан регулирующий двухседельный с мембранным исполнительным механизмом - для пневматики). Если используется с электронным мостом, то на входе необходимо использовать дополнительно электропневмопреобразователь. Для электрической схемы - клапан запорно-регулирующий односедельный фланцевый с электрическим исполнительным механизмом.

Индикация, регистрация и регулирование уровня (LIRK, LC) (рисунок 12).

Рисунок 12

8-1 Передающий преобразователь уровня измерительный буйковый, марка Сапифир - 22ДУ с унифицированным выходным сигналом, предел измерения 250 10000 мм.

В зависимости от среды, которая может и довольно часто и бывает агрессивной и от того, какая необходима точность измерений, выбор уровнемера в основном производится из трёх типов. 1. Буйковые и поплавковые уровнемеры применяются в стационарных резервуарах для измерения уровня неагрессивных сред. 2. Ультразвуковые уровнемеры - для измерения уровня в резервуарах при отсутствии излишней запылённости и при однородном характере среды, где применение поплавковых и буйковых уровнемеров не представляется возможным. 3. Радарные уровнемеры - во всех остальных случаях.

8-2 Вторичный прибор.

8-3 Регулирующее устройство.

8-4 Исполнительный устройство.

2.5.4. Схема управления электродвигателем

Управление электродвигателем, являющимся приводом центробежного насоса (рисунок 13).

Рисунок 13

10-1 Кнопочный выключатель

10-2 Магнитный пускатель

3. Разработка структурной схемы системы автоматического регулирования

Вторая часть задания касается разработки структурной схемы системы автоматического регулирования (САР) технологического параметра, которая выполняется в виде блок-схемы. Средства автоматизации, выполняющие определенные функции в контуре разрабатываемой САР, на блок-схеме отображаются прямоугольниками произвольных размеров, внутри которых указывается наименование и тип прибора по номенклатуре завода изготовителя, а также позиционное обозначение по функциональной схеме автоматизации.

Для структурной схемы САР предлагается взять одноконтурную схему с обратной связью, которая должна представлять собой набор взаимосвязанных и взаимодействующих между собой датчика, нормирующего преобразователя, автоматического регулятора, исполнительного механизма, регулирующего органа. Кроме того, необходимо выбрать исполнительный механизм по виду используемой энергии и выполнить синтез регулятора.

Пример выполнения структурной схемы приведен в Приложении 3.

3.1. Выбор законов регулирования

Для стабилизации давления, уровня, температуры, расхода и других технологических переменных в системах управления используются различные законы регулирования. Выбор закона регулирования определяется следующими основными факторами: типом объекта управления, типом и конструкцией регулирующего органа и технологического объекта управления, требованиями к точности регулирования, требованиями к непрерывности, из технологических соображений, управляющего воздействия. Использование регуляторов прямого действия не рекомендуется, т.к. в настоящее время в АСУ ТП они применяются редко.

Для регулирования температуры тепловых объектов с использованием электрических нагревателей широко используются релейные двухпозиционные регуляторы. Такие объекты обладают самовыравниванием, малым запаздыванием, большой емкостью и, соответственно, инерционностью и, как правило, допускают импульсный характер управляющего воздействия. Поэтому применение релейных регуляторов позволяет достичь приемлемого качества регулирования при использовании сравнительно простых и дешевых технических средств автоматизации.

Стандартные аналоговые законы регулирования (П-, ПИ- ПИД-, ПД-законы) и регуляторы, их реализующие, позволяют достичь более высокого качества регулирования при непрерывном управляющем воздействии, хотя они более дороги и сложны в настройке. При этом для объектов с самовыравниванием (статических) рекомендуется применение законов регулирования с интегральной составляющей, а если ТОУ не имеет самовыравнивания (интегрирующий объект), использование астатических (с интегральной составляющей) законов регулирования нецелесообразно. В любом случае для устранения статической ошибки необходимо, чтобы в контуре регулирования была хотя бы одна интегральная составляющая, не важно, в объекте или в регуляторе.

Наилучшие показатели качества регулирования, в общем случае, дает применение ПИД-регуляторов, однако они наиболее сложны в настройке. Введение Д-составляющей целесообразно при наличии запаздывания, сравнимого с постоянной времени ТОУ. Если же запаздывание невелико (менее 15% от постоянной времени ТОУ), то Д-составляющая может даже ухудшить качество управления из-за неизбежной зашумленности сигнала регулируемой величины (например, при регулировании расхода). По этой причине, поскольку доля объектов управления с большим запаздыванием сравнительно невелика, чаще всего в промышленности применяются ПИ-регуляторы.

Заданием не оговаривается вид энергии питания (электрическое или сжатый воздух) выбираемых средств автоматизации, поэтому на основании анализа объекта автоматизации и свойств электрических и пневматических приборов производится обоснованный выбор вида энергии. Желательно использование одного вида энергии. В настоящее время полностью пневматические системы управления используются только в особо пожаровзрывоопасных объектах, например, в газовой промышленности. В большинстве же случаев проектируются электропневматические системы с использованием лишь пневматических мембранных исполнительных механизмов, а для обеспечения пожаро- и взрывобезопасности используют электрические средства автоматизации в искро- и взрывобезопасном исполнении. Поэтому использование пневматических устройств, кроме МИМ и электропневматических преобразователей, в данном проекте не рекомендуется.

В данном курсовом проекте предлагается использовать программу САР-синтез (L:\Study\СУХТП\Курсовой проект\САР-синтез\sar_sintez_w.exe) для расчета параметров ПИ- и ПИД- регуляторов и построения их переходных процессов с последующим выбором регулятора с лучшим качеством регулирования. Заданием оговариваются все параметры объекта регулирования необходимые для выбора закона регулирования и определения параметров настройки регулятора. В качестве исходных данных, для расчета параметров регулятора, рекомендуется использовать следующее: 1) передаточные функции объекта по каналам управления и возмущения совпадают; 2) объект первого порядка; 3)параметры объекта выдаются преподавателем; 4) метод расчета параметров регулятора - оптимального модуля; 5) закон регулирования ПИ- и ПИД-; 6) вид регулятор - аналоговый. Результаты расчета необходимо записать и продолжить работу в программе САР-синтез. Далее необходимо вывести графики переходных процессов, для которых величина подаваемого возмущения составляет 20%, «ворота» для определения окончания переходного процесса - 5%. Полученные графики необходимо приложить в пояснительную записку (копирование производится клавишами Ctrl+Print). Завершающим этапом является обработка полученных графиков переходных процессов, для определения прямых показателей качества регулирования (время регулирование, колебательность, перерегулирование, статическая ошибка).

3.2. Выбор исполнительного механизма по виду используемой энергии

После выбора закона регулирования устанавливается вид энергии питания регуляторов. Для особо пожаро- взрывоопасных производств использование пневматической системы приборов является наиболее приемлемым. Поэтому выбор вида энергии питания приборов и средств автоматизации в этом случае необходимо начинать с оценки возможности применения пневматической системы приборов.

Измерительная система - одно из наиболее инерционных звеньев САР (кроме ТОУ), поэтому при выборе датчика в первую очередь необходимо учитывать его динамические характеристики. Запаздывание и постоянная времени датчика должны составлять менее 5% постоянной времени ТОУ. Нелинейностью статических характеристик измерительных устройств обычно пренебрегают, т.к. в системах стабилизации измеряемая и регулируемая величины изменяются в достаточно узких пределах.

Вследствие простоты устройства, изготовления и эксплуатации наиболее часто в качестве исполнительных механизмов используют мембранные исполнительные механизмы (МИМ). Промышленностью серийно выпускаются МИМы совместно с клапанами [7,8]. Такие комплекты называются исполнительными устройствами. Для повышения быстродействия пневматических исполнительных механизмов и улучшения их статической характеристики (линейности, устранения гистерезиса) они дополняются позиционерами [9,10].

Большинство электродвигательных электрических исполнительных механизмов постоянной скорости допускают как релейно-контактное, так и бесконтактное управление. Основными элементами силовой цепи релейно-контактной схемы управления являются магнитные пускатели и контакторы, а основными элементами силовой цепи бесконтактного управления - тиристорные пускатели и бесконтактные тиристорные преобразователи с широтно-импульсным или фазоимпульсным выходом [11].

Регулирующее воздействие может представлять собой изменение материального или энергетического потока на входе в объект управления. Управление материальными потоками осуществляется клапанами, задвижками заслонками, дозаторами и т.д. Регулирование расхода пульп, кристаллизующихся растворов, суспензий, растворов с абразивными частицами, химически агрессивных сред, вязких жидкостей рекомендуется осуществлять шланговыми или диафрагмовыми клапанами [8, с.122].

Детальный выбор и расчет регулирующего органа заданием на проект не предусматривается.

Для управления потоком энергии, поступающим с каким-либо теплоносителем или хладоагентом, используются различные клапаны. Для пара, сжатого воздуха, горячей воды, рассола применяются вентили, шиберы, задвижки, заслонки, заслонки для нагретых газов под небольшим давлением. Если энергия выделяется электрическим нагревателем, то для управления используют реостаты, автотрансформаторы, реле, магнитные пускатели, тиристорные усилители и т.д.



4. Использование ЭВМ в управлении технологическими процессами

Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) - это человеко-машинная система, обеспечивающая сбор, обработку и отображение информации, а также выработку и передачу на регулирующие органы управляющих воздействий, обеспечивающих заданный режим функционирования объекта управления. При этом возможно ведение технологического процесса в режиме, оптимальном с точки зрения какого-либо технико-экономического показателя, характеризующего качество управления.

Целями создания АСУ ТП являются:

· экономия топлива, сырья, материалов и других ресурсов;

· обеспечение безопасности функционирования технологических аппаратов;

· повышение качества выходного продукта;

· снижение затрат живого труда;

· достижение оптимальной загрузки оборудования;

· оптимизация режимов работы аппаратов.

Совокупность действий системы управления, направленной на достижение поставленной цели управления, реализуются информационной и управляющей функциями АСУ ТП.

Информационные функции: централизованный контроль и измерение технологических переменных, косвенное измерение (вычисление) значений технологических переменных и технико-экономических показателей (ТЭП) производства, оценка и прогноз состояния оборудования.

Управляющие функции: стабилизация технологических переменных, оптимальное управление технологическими режимами, адаптивное управление объектом, логическое управление аппаратами, оборудованием. Информационные, вычислительные, а частично и управляющие функции реализуются средствами вычислительной техники в рамках информационной и управляющей подсистем. В зависимости от степени участия человека в реализации функций АСУ ТП различают автоматизированный и автоматический режимы работы. В первом случае оперативный персонал принимает активное участие в управлении. Здесь реализуются: ручное дистанционное управление в период пуска, возникновения аварийных ситуаций или изменения режима работ технологического процесса.

В автоматическом режиме АСУ ТП вырабатывает и реализует управляющее воздействия без участия оператора. При этом реализуется централизованная или распределенная структура управляющей системы. В системах с централизованной структурой, реализация всех процессов управления объектами, осуществляется в едином органе управления (ЭВМ), который реализует сбор и обработку информации об управляемых объектах и на основе их анализа, в соответствии с критериями системы, вырабатывает управляющие сигналы (рисунок 14). ЭВМ выполняет функцию центрального управляющего устройства в супервизорном режиме управления, изменяя уставки локальных САР, а также в режиме прямого цифрового управления (ПЦУ), когда ЭВМ непосредственно передает управляющие сигналы на исполнительные устройства.

...