Система управления демонстратора патронного керамического фильтра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Дисциплина: «Системы автоматизации и управления»

Наименование темы: «Система управления демонстратора патронного керамического фильтра»

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение населения качественной питьевой водой является приоритетной социальной проблемой любой страны, решение которой направленно на достижение главной цели - улучшение и сохранение здоровья населения и в целом - безопасности нации.

Среди многих отраслей современной техники, направленных на повышение уровня жизни людей, благоустройства населенных пунктов и развития промышленности, водоснабжение занимает почетное место.

Для нужд современных городов, промышленных предприятий и энергохозяйств необходимо огромное количество воды, строго соответствующей по своим качествам требованиям ГОСТ 28.74-82 "Вода питьевая".

Проблема улучшения качества питьевой воды является наиболее острой, особенно в отношении очистки подземных вод от соединений железа, содержание которого превышает нормативные в 5-10 и более раз. В питьевой воде не должно содержаться возбудителей болезней, она не должна обладать вредными для здоровья свойствами и должна соответствовать требованиям, предъявляемым органами здравоохранения к питьевой воде. Качество питьевой воды должно соответствовать гигиеническим нормативам перед поступлением ее в распределительную водопроводную сеть, а также в точках водозабора наружной и внутренней водопроводной сети.

Для проектирования сооружений водоподготовки обязательным является проведение предварительных микробиологических, биологических и физических исследований сырой воды с учетом местных условий.

Химическое и физическое исследование воды следует проводить с целью определения веществ, присутствующих в воде (качественный и количественный анализы).

На данный момент качество воды в различных регионах страны может сильно отличаться (все зависит от численности населения, рек, стоков, наличия крупных предприятий), но в целом вода не может похвастаться высоким качеством, а простые угольные фильтры не в состоянии произвести максимальную водоочистку, избавить ее ото всех примесей и бактерий. Для повышения качества водоочистки приходится использовать самые современные технологии, а процесс очистки делать по-настоящему комплексным и проводить водоподготовку.

Водоподготовка - цикл мероприятий по водоочистке, который осуществляется с помощью установок умягчения, обезжелезивания и другого оборудования. Промышленная водоподготовка обеспечивается не только благодаря установкам умягчения и обезжелезивания, но также с помощью сорбционных, осадочных установок и ультрафиолетовых обеззараживателей. Используя подобную автоматизированную технику для промышленной водоподготовки, можно сделать водоочистку практически непрерывным процессом, не тормозящим производство и обеспечивающим все стадии работ водой необходимого качества.

В данном курсовом проекте речь пойдет о демонстраторе патронного керамического фильтра (далее ДПКФ) с автоматизированной системой управления. Демонстратор представляет собой макет реальной установки, полностью повторяющий процесс очистки воды. Целями данного курсового проекта являются:

-- автоматическое управление системой водоочистки;

-- увеличение надежности работы очистного оборудования, составляющего ДПКФ благодаря возможности контроля всех его элементов в частности и всей системы в целом;

-- уменьшение затрат на затрачиваемые при очистке воды ресурсы за счет более оптимального их использования;

-- увеличение точности и оперативности получения информации о состоянии системы водоочистки, а также о расходе ресурсов, с целью принятия значимых управленческих решений;

-- ведение учета параметров и событий в системе водоочистки;

-- контроль качества очищенной воды, при понижении которого незамедлительно выполняются меры по улучшению водоочистки.

1. ДЕМОНСТРАТОР КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ

Фильтровальные установки ПКФ с керамическими фильтрующими элементами применяются для высокопроизводительной фильтрации, очистки, утилизации и обезвреживания промышленных суспензий и растворов под давлением.

1.1 Технические требования и характеристики

Технические характеристики ДПКФ:

- Номинальная площадь фильтрации 0,025 м2.

- Температура обрабатываемой суспензии 10…80°С.

- Потребляемая мощность, не более 0,3 КВт.

- Напряжение и частота питания 220 В, 50 Гц;

110 В, 60 Гц.

Электрический монтаж на демонстраторе должен быть выполнен с учетом всех действующих требований электробезопасности.

Система управления должна обеспечивать автоматическое поддержание заданного режима работы демонстратора, индикацию и запись всех измеряемых параметров процесса фильтрации:

- температуры суспензии;

- объем суспензии, прошедшей через фильтр;

- объем выхода фильтрата из фильтра;

- давления в корпусе фильтра;

- давления в линии фильтрата.

Система управления должна быть построена на базе мобильного компьютера (ноутбука).

Должно быть предусмотрено ручное включение насоса в обход системы автоматического управления.

Демонстратор должен эксплуатироваться в производственном помещении при температуре от 15 - 400С и относительной влажности до 90%.

Режим работы - длительный непрерывный, с автоматическим поддержанием заданных параметров работы.

1.2 Конструкция и принцип работы демонстратора патронного керамического фильтра

Структура ДПКФ включает в себя:

-- пульт управления (оператор);

-- фильтр патронный керамический;

-- центробежный насос;

-- преобразователь частоты;

-- датчики контроля технологических параметров.

Изначально загрязненная вода находится в емкости для суспензии А3.

Насосом Н1 вода со взвешенными частицами через расходомер FE1 подается на пьезокристаллический активатор А2, где обрабатывается излучением его головки.

После обработки в активаторе вода поступает через клапан К7 на патронный фильтр А1.

Во время работы фильтра вода при открывании клапана К7 нагнетается насосом Н1 в его корпус. При заполнении корпуса по сигналу от датчика уровня LE1 клапан К1 закрывается, и давление в корпусе фильтра поднимается насосом до заданной величины, которая контролируется датчиком давления PE1 и дополнительно оператором по манометру PI1. Фильтрат (очищенная вода), прошедший через мембраны фильтрующих патронов, через основание корпуса отводится в выводной трубопровод. Концентрат накапливается в корпусе фильтра и удаляется при его промывке.

При достижении заданной величины падения производительности фильтра (которая измеряется по показаниям расходомеров FE1 на линии загрязненной воды и FE2 на линии чистой воды), либо заданного перепада давления на фильтре (по показаниям датчиков давления PE1 и PE2), либо через заданное время происходит промывка фильтра.

Для промывки керамических фильтрующих элементов используется запас очищенной воды (фильтрата), набираемый в емкость А4 при работе ДПКФ. Очищенная вода насосом Н1 через клапан К5 подается в полость фильтрующего элемента для промывки его «Обратным потоком». При этом концентрат загрязнений сбрасывается соответственно через клапан К2.

датчик давление водоочистка фильтр

2. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДПКФ

Структура АСУ демонстратора патронного керамического фильтра имеет двухуровневую структуру. На нижнем уровне системы находятся электронные устройства - датчики, модуль ввода-вывода и прочая автоматика. На данном уровне выполняется сбор данных и передача управляющих сигналов на устройства модуля. На верхнем уровне (уровень оператора) производится контроль состояния системы в пригодном, для понимания оператора, виде. Здесь используются программные средства, инструменты для получения и представления информации, для оповещения оператора системы здесь реализованы средства визуальной и звуковой индикации.

В качестве верхнего уровня АСУ предлагается использование рабочего места оператора на персональном компьютере с применением SKADA системы. SCADA (аббр. от англ. supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных) -- программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления.

В качестве программного обеспечения для системы управления я применяю продукт фирмы National Instruments (США) - LabVIEW версии 7. Данная версия программного продукта является условно-бесплатной, поэтому приобрести ее не составило труда. Также выбор именно этого программного продукта обоснован тем, что с его функционалом и основными приемами разработки мы познакомились в курсе лекций “Системы автоматизации и управления”.

Модульная система сбора данных через интерфейс USB сообщается с персональным компьютером. В качестве модуля ввода/вывода используется USB-устройство сбора данных, которое содержит как аналоговые вводы, так и аналоговые и цифровые выводы. Поэтому данный модуль способен обрабатывать сигналы с датчиков и посылать управляющие сигналы к исполнительным устройствам. Исполнительными устройствам в данной системе являются клапаны и привод насоса. Для сопряжения исполнительных устройств с системой управления, а также для гальванической развязки между управляющей и силовой частью используются реле.

Так как привод насоса является частотно-регулируемым, то для подачи и циркуляции воды в системе ДПКФ используется центробежный насос со встроенным преобразователем частоты. Управляющие сигналы на преобразователь частоты передаются через USB-устройство сбора данных по аналоговому выводу, а управление клапанами осуществляется по цифровым каналам все от того же модуля.

3. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ

3.1 Насос

Насос Grundfos TPE 32-30/4 серии 1000 мощностью 0,12 кВт со встроенным преобразователем частоты.

Grundfos является ведущим мировым производителем насосного оборудования и новатором в области инновационных и комплексных решений в насосостроении. Отличительными особенностями всех насосов Grundfos являются непревзойденная надежность и эффективность, которые и предопределяют выбор большинства профессионалов.

Вертикальные, многорядные насосы Grundfos TP и TPE используются в различных областях применения. Данные насосы являются одноступенчатыми, многорядными, центробежными насосами со стандартными двигателями и торцевыми уплотнениями вала. Данные насосы имеют короткую муфту, т.е. насос и двигатель являются отдельными блоками. Соответственно данные насосы менее чувствительны к загрязнениям перекачиваемой жидкости, чем аналогичные насосы с герметизированным ротором.

Имеется две различные модели вертикальных, многорядных насосов. Необходимо отметить, что существует несколько специальных вариантов исполнения каждой модели.

Основным различием между насосами TP и TPE является двигатель. Двигатели насосов TPE имеют встроенный преобразователь частоты, позволяющий использовать различные методики управления. Насосы TPE имеют преимущества в виде лучшего энергосбережения и повышенного уровня комфорта.

Таблица 3.1 - Технические данные насоса

Количество фаз	1
Вольтаж	200-240 В
Мощность электродвигателя	0,12 кВт
Расход	340 м3/ч
Напор	90 м
Температура жидкости	от -25 до +140 0С
Макс. рабочее давление	16 бар

3.2 Датчики давления

Малогабаритные датчики Метран-55 предназначены для работы в различных отраслях промышленности, системах автоматического контроля,

регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование измеряемых величин избыточного (ДИ), абсолютного (ДА) давления, разрежения (ДВ), давления-разрежения (ДИВ) нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал. Простота конструкции, надежность, малые габариты, невысокая стоимость обеспечивают повышенный спрос потребителей.

Основные технические параметры:

- Измеряемые среды: жидкость, пар, газ (в т.ч. газообразный кислород)

- Диапазон измеряемых давлений: минимальный 0-0,06 МПа;

максимальный 0-100 МПа

- Выходной сигнал: 4-20, 0-5 мА

- Температура окружающего воздуха: -40...70°С

- Межповерочный интервал: 3 года

- Степень защиты от воздействия пыли и воды: IP65



Рисунок Схема внешних электрических соединений датчика

В нашей системе используется 2 датчика-преобразователя давления.

Для дополнительного контроля давления оператором будем использовать цифровые манометры ДМ 5001 (2 шт.).

Основные технические характеристики:

- Диапазоны давления: от 0…1 МПа до 0…160 МПа;

- Основная погрешность: не превышает 1%.

3.3 Расходомеры электромагнитные

Электромагнитный расходомер Promag 51P

Таблица 3.2 - Технические характеристики расходомера

Принцип измерения	Электромагнитные расходомеры
Характеристики	Модуль S-DAT Функция самодиагностики Быстрая настройка с меню "Quick SetUp" ECC 2 сумматора Пулевидные электроды
Диаметр	DN 15...600
Погрешность измерения	±0.5% ±0.2% (опция)
Диапазон измерения	0...9600 м3/ч
Диапазон рабочего давления	PN10...40
Рабочая температура	-40...+150°C
Окружающая температура	-20...+60°C -40...+60°C (optional)
Степень защиты электроники	IP 67 (NEMA 4x) IP 68 (Nema 6P)
Дисплей/Настройка	2х-строчный с подсветкой дисплея Клавиши управления
Выходные сигналы	4...20 мА Импульсно-частотный Сигнал состояния
Входные сигналы	Сигнал состояния
Коммуникация	HART
Сертификаты на взрывозащиту	ATEX

Для нашей системы необходимо 2 расходомера.

3.4 Датчик уровня

Интеллектуальные датчики серии LMP 331i представляют следующее поколение датчиков давления и являются дальнейшим развитием наших стандартных датчиков для промышленного применения. Датчики предназначены для универсального применения в промышленности и соответствуют высоким требованиям по точности и стабильности характеристик. Механическая конструкция датчика выполнена в соответствии со стандартной схемой исполнения. В датчиках применён принципиально новый цифровой усилитель, основанный на микропроцессорной сборке, а также 16-битный аналого-цифровой преобразователь, что позволяет обойтись без применения дополнительного аналогового усилителя. Блок обработки осуществляет активную компенсацию характеристик чувствительного элемента, таких как эффекты нелинейности, влияние температуры.

Технические параметры:

Рисунок - Схема подключения

3.5 Датчик температуры

Датчик температуры КДТ-200.1

Предназначен для измерения температуры жидкостей в трубах диаметром от 15 мм до 100 мм. Степень защиты IP54.

Технические параметры:

Рисунок Схема подключения

3.6 Система сбора данных

National Instruments (NI) - мировой лидер в области компьютерных систем автоматизации предлагает вниманию потребителей широкий модельный ряд устройств на базе плат сбора данных, работающих на шинах PCI, PCI Express, PXI, CompactFlash, Ethernet, FireWire, USB, и функционирующих на операционных системах Windows, Mac OS X, Linux, Pocket PC/Windows CE, RTX для применения их в настольных, мобильных и распределенных системах.

National Instruments предлагает обширный ряд устройств, отлично подходящих для решения широкого круга задач - от сбора и анализа данных до создания полнофункциональных встроенных OEM-систем. Ассортимент NI включает в себя недорогие, высокоскоростные и специализированные, высокоточные устройства, разработанные для работы с шиной USB, что дает возможность свободно разрабатывать программное обеспечение для настольных компьютеров и ноутбуков, а также под другие платформы, используемые для решения повседневных задач.

Модуль сбора данных.

Таблица 3.3 - Технические характеристики модуля

Особенности	NI 6008	NI 6009
Шина	USB	USB
Аналоговые входы	8 SE (4 DI)	8 SE (4 DI)
Частота оцифровки сигналов	10 кГц	48 кГц
Разрешение АЦП (бит)	12	14
Диапазоны входного напряжения	от ±1 до ±20 В	от ±1 до ±20 В
Аналоговые выходы	2	2
Разрешение ЦАП (бит)	12	12
Частота работы ЦАП	150 Гц	150 Гц
Выходной диапазон	0-5 В	0-5 В
Цифровые каналы ввода/ вывода	12	12
Счетчики	1, 32 бита	1, 32 бита
Синхронизация	цифровая	цифровая

Так как все датчики имеют токовый выход, а на входы USB-устройства нужно подавать напряжение, то в цепь каждого из датчиков ставим резистор.

3.7 Электромагнитные клапаны

Клапаны электромагнитные Muller co-ax типа RSV12.

Коаксиальные электромагнитные клапаны Muller co-ax, в отличие от «классических» типов электромагнитных клапанов, подходят для использования на загрязнённых и вязких рабочих средах. Непревзойдённое Германское качество, большая металлоемкость изделий и полная автоматизация рабочих процессов позволяет эксплуатировать оборудование без обслуживающего персонала. Конструкция клапанов стойкая к вибрации, т.к. соосный привод клапана размещён вокруг трубопровода и его центр совпадает с центром трубопровода, что позволяет эксплуатировать клапаны, к примеру, на газотурбинных установках. Облегающий привод уменьшает габаритные размеры и позволяет компактно размещать клапан относительно технологической установки.

Технические параметры:

3.8 Устройства коммутации

Электромагнитное реле RM85 1050 sensitive.

Технические характеристики:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте была разработана система управления демонстратора патронного керамического фильтра. Разработана функциональная схема системы управления, произведен выбор оборудования.

Данная система улучшает технико-экономические характеристики ДПКФ. Применение новейшего оборудования и программного обеспечения позволяет реализовать сложные алгоритмы управления для повышения производительности и обеспечить полностью автоматическое управление модулем.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Водовозов, А.М. Системы автоматизации и управления: Метод. указания к курсовому проектированию/А.М. Водовозов - Вологда: ВоГТУ, 2011. - 46 с.

2. Системы автоматизации и управления: Конспект лекций / А. М. Водовозов Вологда: ВоГТУ, 2009. - 290 с.

Размещено на Allbest.ur