Разработка системы автоматического управления процессом электростатического разрушения водоэмульсионных смесей в переменном электрическом поле

Анализ процесса электрообессоливания и дегидрации нефти, как объекта управления. Имитационное моделирование переходных процессов в АСР. Расчет экономической эффективности проведения автоматизации производства. Бизнес планирование, финансовый план.

Рубрика Производство и технологии
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 12.08.2013
Размер файла 4,6 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Благодаря перечисленным особенностям промышленные компьютеры SIMATIC PC способны: работать в условиях воздействия вибрации и тряски, а также в тяжелых температурных режимах; непрерывно выполнять возложенные на них функции в течение 24 часов в сутки; работать под управлением различных операционных систем и с различной дополнительной аппаратурой. Все компьютеры просты в эксплуатации и оснащены электронными руководствами на немецком и английском языках. Эти руководства записаны на жесткий диск каждого промышленного компьютера.

Мною выбран комплект компьютера стоечного исполнения SIMATIC Rack PC IL40 (см. рисунок 2.8) промышленный компьютер, отличающийся высокой вычислительной мощностью, предназначенный для эксплуатации в облегченных промышленных условиях (т.к. устанавливается с специальном помещении оператора (см. графическую часть - ГЧ.04 план электрических и трубных проводок).

Промышленный компьютер 19" исполнения (4HU) высокой вычислительной мощности, предназначенный для эксплуатации в облегченных промышленных условиях. Компьютер характеризуется следующими показателями: прочный металлический корпус, обеспечивающий высокую стойкость к механическим и электромагнитным воздействиям; степень защиты фронтальной панели при закрытой защитной дверце IP20; возможность использования направляющих для установки в 19" стойку управления; защитная дверца, закрывающая доступ к приводам и органам ручного управления; возможность замены фильтров и вентиляторов с фронтальной стороны корпуса; возможность размещения двух 3.5" и четырех 5.25" приводов; материнская плата собственной разработки и изготовления.

Рисунок 2.8 - Внешний вид компьютера стоечного исполнения SIMATIC Rack PC IL40 (системный блок)

Предусмотрено использование архитектуры, ориентированной на применение процессоров Pentium 4. Нами выбран процессор Core2Duo с тактовой частотой 3.2 Ггц); поддержка оперативной памяти емкостью до 2 Гбайт; встроенная видео- и аудио карта; возможность установки DVD-RW; встроенный интерфейс Ethernet 10/100 Мбит/с, RJ45; встроенный интерфейс PROFIBUS/DP; шесть USB интерфейсов.

Выбранный комплект включает цветной монитор SCM 2196-1. Цифровые настольные цветные мониторы SCM 2196-1 предназначены для непрерывной работы в промышленных условиях. В них используется кинескоп специальной конструкции, отличающийся высокой стойкостью к воздействиям внешних магнитных полей. Мониторы оснащены схемами автоматической магнитостатической коррекции, автоматической коррекции контрастности изображения в зависимости от освещенности, а также автоматической коррекции цветового воспроизведения по мере старения трубки. Осуществляется контроль уровня напряжения питания (VESA-DPMS). Все необходимые настройки выполняются с помощью органов ручного управления, расположенных на фронтальной панели монитора, а также системы экранных меню. Монитор имеет пластиковый корпус, обеспечивающий защиту от попадания влаги и пыли со стороны верхней полусферы. Степень защиты IP 30 по EN 60529. Обеспечена возможность изменения положения корпуса в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Экран монитора снабжен многослойным антибликовым покрытием.

Монитор укомплектован сенсорными экраном с аналоговыми резистивными датчиками. Размер экрана по диагонали равен 54 см (21"). Для подключения мониторов используется коаксиальный кабель с двойным экранированием. Разрешение свыше 100 dpi; высокая контрастность изображения; разрешающая способность 1600x1200 точек; горизонтальная частота развертки 30... 96 кГц, частота кадровой развертки 50... 120 Гц.; поддерживаемые форматы: XGA, VGA, SVGA, MAC II и т.д.; 99.5% подавление отражения внешних световых излучений; автоматическая коррекция цветопередачи по мере старения трубки; встроенный фотодатчик для коррекции яркости и контрастности изображения при изменении освещенности; низкий уровень излучений по MPR II.

В проекте заказана также: Водонепроницаемая клавиатура промышленного исполнения со степенью защиты IP 65. Клавиатура покрыта прозрачной пластиковой пленкой толщиной 150 мкн. Вместо мыши используется сенсорная площадка (touch-pad) в правой части корпуса. 105 клавиш. 24-игольчатый матричный принтер средней производительности, которые могут эксплуатироваться в промышленных условиях. Принтер поддерживает формат DIN A4 (DIN A3 для DR 2130/24) и способны печатать со скоростью 300 символов в секунду.

Такой состав обеспечит высокую надежность, быстродействие и комфортную работу оператора.

2.3.2 Выбор и обоснование технического обеспечения для нижнего уровня управления

Выше описаны решения по техническому обеспечению верхнего уровня АСУТП. На рисунке 2.9 условно показан состав технического обеспечения АСУТП цеха.

Микропроцессорная управляющая техника верхнего уровня - фирма «Siemens» ФРГ

Микропроцессорная управляющая техника нижнего уровня - фирма «Siemens» ФРГ

Измерительные преобразователи и исполнительные устройства - фирма «SiemensСША

Рисунок 2.9 - Выбранный состав технического обеспечения проектируемой АСУТП

На нижним уровень управления выполним выбор и обоснование контроллера. При выборе конкретной модели ПЛК нами учитывались такие характеристики: широкий спектр модулей для максимальной адаптации аппаратуры к решению любой задачи; высокая гибкость, возможность использования систем распределенного ввода-вывода, мощные коммуникационные возможности; удобная конструкция, простота монтажа, работа с естественным охлаждением; простота расширения системы в ходе модернизации объекта; высокая производительность благодаря наличию большого количества встроенных функций; относительная распространенность на предприятиях региона; стоимость; возможность построения «открытых систем» управления, приспособленность к развитию и модернизации; простора обслуживания, отладки, ремонта, программирования.

Эти признакам на наш взгляд в полной мере удовлетворяет продукция фирмы ФРГ Siemens, и частности ПЛК SIMATIC S7-300 - это модульный программируемый контроллер универсального назначения.

В частности контроллеры этой модификации достаточно широко применяются в Южно-Казахстанском регионе и имеются на кафедре АКИ в ЮКГУ.

SIMATIC S7-300 - это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности. Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства. Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.

Контроллеры SIMATIC S7-300 имеют модульную конструкцию и могут включать в свой состав:

модуль центрального процессора (CPU). В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов-выходов и специальных функций, количеством и видом встроенных коммуникационных интерфейсов и т.д.;

модули блоков питания (PS), обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110В;

сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами;

коммуникационные процессоры (CP) для подключения к сетям PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-Interface или организации связи по PtP (point to point) интерфейсу;

функциональные модули (FM), способные самостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования, обработки сигналов. Функциональные модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае отказа центрального процессора ПЛК;

интерфейсные модули (IM), обеспечивающие возможность подключения к базовому блоку (стойка с CPU) стоек расширения ввода-вывода.

Контроллеры SIMATIC S7-300 позволяют использовать в своем составе до 32 сигнальных и функциональных модулей, а также коммуникационных процессоров, распределенных по 4 монтажным стойкам. Все модули работают с естественным охлаждением.

Центральные процессоры S7-300C оснащены набором встроенных входов и выходов, а также набором встроенных функций, что позволяет применять эти процессоры в качестве готовых блоков управления.

SIMATIC S7-300 отвечают требованиям национальных и международных стандартов и норм, включая:

DIN;

сертификат UL;

сертификат CSA;

FM, класс 1, группы A, B, C и D (температурная группа T4, до 135C);

сертификат Госстандарта России № РОСС DE.АЯ46.B43188 на соответствие требованиям ГОСТ Р 50377-92, ГОСТ 28244-89 и ГОСТ 29216-91, а также сертификат Госстандарта России № 1307 о регистрации контроллеров S7-300 в Государственном реестре средств измерений № 15772-96;

Метрологический сертификат Госстандарта России DE.C.34.004.A № 11994.

Внешний вид модулей контроллера приведен на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 - Внешний вид модуля контроллера SIMATIC S7-300

Выбор средств воздействия на процесс

Для непрерывного регулирования жидких и газообразных сред в целях изменения регулируемого параметра широко применяют клапаны с пневматическим мембранным исполнительным механизмом. Клапаны могут быть типа НО (нормально открыт) и НЗ (нормально закрыт). В клапанах типа НО при прекращении подачи управляющего воздуха проходное сечение полностью открывается. В клапанах типа НЗ закрывается, что особенно важно во взрывоопасных производствах в целях исключения аварий.

В данном дипломном проекте применены регулирующие клапаны фирмы «SITRANS» серии 2000 [11], приводом этих клапанов являются мембранный исполнительный механизм 2000. Эти клапаны также дополнены вспомогательным оборудованием - электропневматическим преобразователем серии ЕР2350.

В качестве смесительного клапана используется сильфонный клапан той же фирмы специально разработанный для использования в топливной промышленности. Он не требует технического обслуживания и пригоден как для смешения, так и для разделения потоков серии клапана- V-5060.

В качестве исполнительного устройства был выбран пневматический исполнительный механизм, так как они дешевы, просты в монтаже потому что производство является взрывоопасным. Из ряда пневматических исполнительных устройств был выбран привод пневматический серии 2000, с разъемом от 300 до 2600см2, номинальным ходом от10 до 120 мм. В комплекте с регулирующим клапаном серии 2000 с Ду= 15-50 мм, номинальным давлением PV 40/AN SI 300 и имеющим защитный кожух PIFE. В качестве электропневматического преобразователя был взят преобразователь серии 2250, который имеет входной сигнал 0,2-1 Бар, а также с искробезопасностью Еехi в 11 Ств/Т5.

Выбор и обоснование измерительных преобразователей

В качестве измерительных преобразователей температуры, давления, расхода и уровня выбраны интеллектуальные датчики SITRANS[11]. По сравнению с датчиком предыдущих поколений эти датчики обладают лучшими характеристиками, большей точностью, встроенной диагностикой и цифровой двухсторонней связью с оператором. Применение интеллектуальных датчиков имеет следующие преимущества: сокращается время установки и пуска, снижается время установки и пуска, снижаются затраты на обслуживание и стоимость продукции, увеличивается производительность установки.

Измерительные преобразователи температуры

Для контроля и измерения температуры мною использован современный интеллектуальный измерительный полевой преобразователь температуры SITRANS TF2. Он предназначен для сложных условий эксплуатации.

Рисунок 2.11 - Датчик температуры SITRANS TF2

Параметрируемый SITRANS TF2 представляет собой датчик температуры с цифровым дисплеем и термометром сопротивления с сенсором Pt100 для использования в полевых условиях.

Прибор используется для индикации и контроля измеряемой температуры в месте установки. SITRANS TF2 предлагается в аксиальном и радиальном исполнении.

Преимущества

прочный корпус из нержавеющей стали с двумя вариантами подключения;

высокая точность измерений;

точная индикация с разрешающей способностью 1/100 °с в наибольшем диапазоне измерений;

возможность параметрирования диапазонов изменений в интервала -50…+200°с (+58…+392°f);

возможность изготовления защитных труб любой длины и из любого материала в соответствие с пожеланиями заказчика;

защитная труба из нержавеющей стали с высокой химической стойкостью;

выдача сообщений о выходе за пределы значения на жидкокристаллический дисплей, а так же индикация с помощью красного светодиода.

Сфера применения

SITRANS TF2 используется для индикации и контроля температурных параметров в месте установки. Область применения включает в себя все технологические процессы в таких отраслях как:

химическая промышленность;

энергетика;

централизованное теплоснабжение;

водоснабжение;

очистка сточных вод;

нефтяная промышленность;

металлургическая промышленность;

производство цемента;

фармацевтика;

биотехнология.

Функционирование.

Датчик температуры SITRANS TF2, функциональная схема.

Принцип работы. Внешний температурный датчик Pt100 получает питание от стабилизированного источника тока IK. Падение напряжения на датчике соответствует измеряемой температуре.

Аналого-цифровой преобразователь (A/D) преобразует падение напряжения в цифровой сигнал.

В микроконтроллере (µС) цифровой сигнал линеаризуется и выражается в числовой форме в соответствие с данными, содержащимися в EEPROM.

Обработанные данные отображаются на дисплее.

Кроме того, значения конвертируются цифро-аналоговым преобразователем (D/A) и преобразователем напряжения в ток (U/I) в пропорциональный температуре токовый сигнал IA (4..20 mА).

Функции. SITRANS TF2 снабжен пятиразрядным дисплеем, расположенным под стеклянной крышкой. На дисплее отображается следующая информация:

Измеряемая температура

Единица измерения (°C, °F, °R или K либо mА или %)

Выход за верхнее или нижнее предельное значение; выдача сообщения осуществляется с помощью светодиода и символа стрелочки на дисплее

Настройка SITRANS TF2 осуществляется с помощью трех клавиш, расположенных за стеклянной крышкой под дисплеем.

Клавиша «М» предназначена для выбора режима работы. Существуют следующие режимы:

измеряемая величина;

пароль;

единица измерения;

верхний и нижний пределы диапазона измерений;

верхнее и нижнее предельное значение;

Offset;

калибровка выходного тока;

верхний и нижний пределы насыщения тока;

электрическое демпфирование.

С помощью двух других клавиш устанавливаются параметры режимов работы.

Для контроля установленного диапазона измерений и состояния прибора предназначены два светодиода, расположенных над дисплеем.

Зеленый светодиод сигнализирует о том, что значение измеряемой температуры лежит в установленных пределах. Красный светодиод загорается тогда, когда значение измеряемой температуры выходит за предельные значения, или в случае ошибки.

Таблица 2.3 - Технические данные

Принцип измерения

Термометр сопротивления

Pt100 Класс B в соответствие с DIN IEC 751

Измеряемая величина

температура

Макс. диапазон измерений

-50…+200°C (-58…392°F)

Мин. интервал измерений

50K (90°F)

Выходной сигнал

4…20 mА

Нижний предел тока

мин. 3,6 mА

Верхний предел тока

макс. 23 mА

Выход защищен от

неверной полярности, перенапряжения, короткого замыкания

Макс. сопротивление нагрузки

(UH-12V) / 0,023A

Характеристика

пропорциональная температуре

Точность измерений

Отклонение при 23°C±5 К (73,4 ± 9°F)

<±(0,45 K+0,2% от верхнего предела диапазона в K + 1 разряд в K)

<±(0,81°F+0,2% от верхнего предела диапазона в °F + 1 разряд в °F)

Время цикла измерений

?100 ms

Влияние температуры

<±0,15% / 10 K (<±0,15% / 18°F)

Влияние вспомогательной энергии

<±0,01% от верхнего предела диапазона / V

Влияние вибраций

<±0,05% / g до 500 Hz во всех направлениях (в соответствие с IEC 68-2-64)

Условия использования

Условия окружающей среды

Температура окружающей среды

-25...+85°C (-13…+185°F)

Диапазон температуры для наилучшего удобства отсчета

-10…+70°C (14…+158°F)

Температура хранения

-40…+85°C (-40…+185°F)

Класс защиты

IP65 согласно EN 60 529

Электромагнитная совместимость

EN 61 326/A2, приложение A (2001)

Ограничение применения

Давление

максимум 40 bar (580 psi)

Измерительные преобразователи давления

Для измерения давления в данной технологической установке я использую контрольно-измерительный прибор SITRANS P, серия DS III PA фирмы Siemens. Данный прибор предназначен для измерения избыточного давления и абсолютного давления или для измерения уровней жидкостей и газов

Рисунок 2.12 - Датчик давления SITRANS P, серия DS III PA

Измерительный преобразователь давления, перепада давлений и расхода, уровня заполнения, абсолютного давления из серии «Перепад давлений» и абсолютного давления из серии «Давление», серия DS III с PROFIBUS-PA.

Таблица 2.4 - История данного руководства по эксплуатации

Выпуск руководства по эксплуатации

Код встроенного программного обеспечения Табличка допуска

Интеграция в систему

Директория для инсталляции PDM

02

FW: 300.01.03

FW: 300.01.04

FW: 300.01.05

FW: 300.01.06

PDM в.5.02 + SP1;

Dev. R.1/2

SITRANS P DSIII

03

FW: 300.01.07

PDM в.5.02 + SP1;

Dev. R.1/2

SITRANS P DSIII

04

FW: 300.01.07

PDM в.5.02 + SP1;

Dev. R.1/2

SITRANS P DSIII

Область применения. Измерительный преобразователь SITRANS P, серия DS III PA, предназначен для измерения давления неагрессивных и агрессивных, а также опасных газов, паров и жидкостей. Его можно использовать для измерения следующих величин:

давление;

перепад давлений;

уровень;

объем

объемный расход;

весовой расход.

Для особых случаев применения, например, измерение высоковязких веществ, предлагаются измерительные преобразователи с передаточными устройствами различной конструкции.

Прибор может использоваться как автономная единица либо как компонент сети PROFIBUS.

Особенности прибора. Измерительный преобразователь с подключением к шине в соответствие с IEC 61158-2 и EN 50170.

Измерительные преобразователи с типом взрывозащиты «Искробезопасность» или «Взрывонепроницаемое исполнение» могут монтироваться во взрывоопасных зонах

Декларация о соответствии нормам согласуется с европейскими предписаниями (CENELEC)

Совместная передача данных и подача вспомогательной энергии (9 - 32 V) через подключение к шине

Подключение к шине не зависит от полярности, на случай ошибки предусмотрено фиксированное ограничение тока шины

Гальваническая развязка (испытательное напряжение 500 V AC)

Искробезопасное и взрывонепроницаемое исполнения для использования во взрывоопасных зонах

Возможность коммуникации по PROFIBUS-PA (Profil Version 3.0, Class B)

Возможно локальное параметрирование измерительного преобразователя с помощью трех клавиш либо внешнее параметрирование с помощью SIMATIC PDM

Измерительные преобразователи расхода

Для измерения расхода пара, газов и жидкостей является SITRANS F US SONOFLO модели SONOCELL.

Рисунок 2.13 - Датчик расхода фирмы SITRANS F US SONOFLO модели SONOCELL

Назначение и область применения

Расходомеры SONOCELL предназначены для измерения объемного расхода воды в сетях водоснабжения;

Расходомеры SONOCELL могут применяться в сочетании c индикатором типа Infocal 5 или без него;

Расходомер SONOCELL представляет из себя единый блок, состоящий из корпуса с ультразвуковыми преобразователями, преобразователя сигналов, закрепленного на корпусе.

Принцип действия расходомера SONOCELL. Для измерения расхода используется ультразвуковой принцип измерения. Два ультразвуковых датчика, работающие и как передатчики, и как приемники, установлены на стенках расходомера.

Ультразвуковые сигналы передаются по прямой линии одновременно от двух датчиков. Один сигнал идет по направлению потока воды, другой - против. Поэтому сигналы от передатчиков не достигают своих соответствующих противоположных приемников одновременно. Чем большее количество воды протекает через расходомер, тем больше временная задержка между двумя сигналами. Встроенный в расходомер преобразователь сигналов преобразует время задержки в импульсный сигнал, пропорциональный фактическому расходу.

Рисунок 2.14 - Датчик расхода фирмы SITRANS F US SONOFLO модели SONOCELL

Таблица 2.5 - Технические характеристики расходомера SONOCELL

Диапазон температуры измеряемой среды, C0

5 - 500 C

Относительная погрешность измерения расхода (не более)

1% в диапазоне 0,05 Qmax Qmax 2% в диапазоне 0,025 Qmax 0,05 Qmax

Допустимое давление, МПа

1,6

Потребляемая мощность

<1 Вт

Напряжение питания

3,6 + 0,1/-0.4 В

Продолжительность импульса

2-5 мсек

Класс защиты

IP 68

Температура окружающей среды, С0

255

Относительная влажность воздуха

<80%

Температура хранения и транспортировки, С0

от -100 до 850

Средний срок службы

12 лет

Измерительные преобразователи уровня

Для измерения уровня воды в водоотделителе данной установки SITRANS LC 500 производства SIEMENS.

Рисунок 2.15 - Уровнемер SITRANS LC 500

SITRANS LC 500 - емкостный уровнемер с инверсной частотной модуляцией для измерения уровня и разделительного слоя для экстремальных и сложных условий процесса, например, нефти или сжиженного газа, а также токсичных и агрессивных химикатов и паров.

Преимущества:

Запатентованная технология Active-Shield;

Калибровка с клавиатуры и встроенный дисплей;

Инверсный частотный метод для высокого разрешения;

2-х проводное подключение, сигнал измерения 4 до 20 / 20 до 4 мА;

Заблаговременная сигнализация и расширенная диагностика;

Устойчив к высокому давлению и температуре (опционально);

Расширенная диагностика согласно NAMUR NE 43.

2.3.3 Средства отображения информации

Выполняются на верхнем уровне АСУТП.

2.3.4 Реализация функций защиты и блокировки

Выполняются PLC на нижнем уровне управления.

2.4 Принципиальные схемы автоматизации

2.4.1 Постановка задачи

Основным назначением принципиальных схем автоматизации является отражение с достаточной полнотой и наглядностью взаимной связи между отдельными средствами автоматизации и вспомогательной арматурой, входящих в состав функциональных узлов систем автоматизации с учетом последовательности их работы и принципа действия [4].

В данном проекте принципиальная схема составлена на основании функциональной схемы автоматизации, исходя из заданных алгоритмов функционирования отдельных узлов контроля, сигнализации, автоматического регулирования, управления и общих технических требований, предъявляемых к автоматизированному объекту.

2.4.2 Решения по разработке принципиальных схем автоматизации

В данном разделе разработана принципиальная схема подключения средств автоматизации контура регулирования температуры на выходе из теплообменника Т-203, расхода стабильного гидрогенизата.

Контроллер S7-400 получает сигнал от датчика температуры на выходе из Т-203 (поз. 32а), датчика расхода (поз. 31а и поз. 22а). Измеряемая среда преобразуется датчиками температуры (ТХАУ, ТСМУ ТСПУ) и расхода (интеллектуальный вихревой расходомер модели 8800С и 8800СR) в стандартный токовый сигнал (4-20мА), который подается на модуль ввода аналогового сигнала (SM 431), и для расхода с цифровым сигналом на базе HART-протокола. В модуле аналогового сигнала происходит преобразование токовых сигналов в цифровую форму и передача его на процессор CPU 414-3, а также сигнал преобразуется коммуникационным процессором СР 443-1, который подается на АРМ оператора через сетевой коммутатор Baseline Switch для наблюдения за технологическим процессом. Интеллектуальные датчики и устройства поддерживающие НАRТ-протокол связаны с АРМ оператора через НАRТ-USB модем. Модуль выдает регулирующее воздействие на электропневматический позиционер SIPART PS2 предназначенный для регулировки позиции вентилей и клапанов на пневматических поступательных и поворотных приводах.

Рисунок 2.16 - Принципиальная схема подключения средств автоматизации

Рисунок 2.17 - Схема внешних подключений приборов SITRANS

Рисунок 2.18 - Схема установки системы сбора информации о рабочем ходе исполнительного органа и блока регулятора

Принципиальная схема контура регулирования температуры, расхода в Т-203 представлена на чертеже ГЧ.03. Предлагаемая схема представляет собой определенным образом составленное между собой сочетание отдельных приборов и устройств, в заданной последовательности выполняющих ряд операций: измерение, контроль и регистрацию, передачу командных сигналов от микропроцессорного контроллера S7-400 к исполнительным механизмам.

Представление о последовательности работы применяемой аппаратуры и элементов, дают показанные на схеме условные графические, буквенные и цифровые изображения и обозначения.

Принципиальные электрические схемы должны обеспечивать безопасность работы обслуживающего персонала и исключать возможность повреждения технологического оборудования при любом состоянии схемы (при снятии напряжения питания, выходе из строя какого-либо элемента, коротком замыкании).

Рисунок 2.19 - Бесконтактный реверсивный пускатель ПБР-3А

ПБР предназначен для бесконтактного управления электрическими исполнительными механизмами по ГОСТ 7192, в приводе которых использованы трехфазные электродвигатели.

По функциональным возможностям имеет два исполнения:

пускатель ПБР-3А 2.1 обеспечивает пуск и реверс (синхронного и асинхронного электродвигателя), защиту трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором от перегрузки;

пускатель ПБР-3А 2.2 обеспечивает пуск и реверс трехфазного синхронного двигателя.

Пускатель ПБР-3А состоит из платы, кожуха и передней панели. На передней панели расположены клеммные колодки для подключения пускателя к внешним цепям, а также винт заземления.

Клеммные колодки закрываются крышками. На плате устанавливаются элементы схемы пускателя.

Плата вставляется в кожух и закрепляется двумя винтами. Пускатель рассчитан на установку на вертикальной или горизонтальной плоскости. Положение в пространстве - любое.

Крепление пускателя осуществляется двумя болтами М6, которые установлены на задней стенке кожуха.

Проверку ПБР-3А2.2 проводить по схеме рисунок 2.19 по следующей методике: включить схему, перевести переключатель S1 в положение 1, выходной орган механизма должен прийти в движение, перевести переключатель S1 в положение 2, выходной орган механизма должен изменить направление вращения.

Обесточить пускатель.

Проверку ПБР-3А2.1 проводить по схеме рисунок 2.19 по следующей методике: вращая ручку потенциометра, установленного на передней панели, против часовой стрелки довести ее до упора.

Включить схему, перевести переключатель S1 в положение 1. Выходной орган механизма должен прийти в движение и при выходе его на упор плавно вращать ручку потенциометра, установленного на передней панели пускателя, по часовой стрелке до отключения электродвигателя.

Перевести переключатель S1 в положение 3, выходной орган механизма должен изменить направление вращения и при выходе его на другой упор двигатель должен отключиться за время не более 2S.

Рисунок 2.20 - Схема проверки пускателей ПБР - 3А2.1 и ПБР - 3А2.2

2.5 Проектирование операторского пункта управления

2.5.1 Размещение средств управления автоматизированного управления верхнего уровня в операторском пункте

Операторский пункт управления включает в себя два автоматизированных рабочих места операторов, оснащенных специальными техническими средствами.

В состав автоматизированного рабочего места оператора входят: кресло, стол, рабочая станция, печатающее устройство (принтер), коммуникационное оборудование и устройства ввода-вывода информации, а также такие средства связи, как телефон и рация.

Рабочая станция оператора представляет собой 19" промышленный компьютер стоечного исполнения SIMATIC Rack PC 847B фирмы Siemens, разработанный для промышленного применения и используемый для сбора, обработки и архивации данных, решения задачи визуализации, управления и контроля. SIMATIC Rack PC 847B применяются для решения сложных задач контроля и управления с высокими требованиями к производительности компьютера в жестких промышленных условиях, промышленный компьютер способен выполнять и функции технологического сервера.

При решении конкретной задачи управления оператор многократно обращается к средствам отображения информации и анализирует соответствующую информационную модель. Для повышения эффективности восприятия оператором этой модели необходима рациональная организация информационного поля средств отображения информации. Каждая станция оператора содержит 2 промышленных LCD монитора SCD 19101-DT 19" фирмы Siemens со встроенной сенсорной резистивной аналоговой клавиатурой, позволяющих одному оператору контролировать ход технологического процесса без частого переключения кадров мнемосхем SCADA-системы.

Компоновка АРМ средствами управления и отображения информации тесно связана с логикой решения задач управления на основе предоставляемой оперативной информации оператору о состоянии автоматизируемого объекта (информационной модели).

При решении конкретной задачи управления оператор многократно обращается к средствам отображения информации и анализирует соответствующую информационную модель. Для повышения эффективности восприятия оператором этой модели необходима рациональная организация информационного поля средств отображения информации. Из-за многообразия возникающих задач управления объектов автоматизации затруднительно построить все множество информационных моделей, поэтому проектирование рабочего места осуществляют применительно к некоторой обобщенной (типовой) модели системы представления информации оператору АСУТП.

Щиты систем автоматизации предназначены для связи оператора с объектом управления. Щиты контроллеров установлены на расстоянии 1,2 м от стены в один ряд. В пространстве за щитами проложена кабельная проводка в полу, согласно РМ4-51-73. В распоряжении аппаратчика имеется также средства диспетчерской и производственной громкоговорящей связи.

Коммуникационное оборудование образует локальную сеть (Ethernet 100 Мбит/с) с топологией кабельных связей типа «звезда», объединяющую элементы КТС. Коммуникационное оборудование состоит из концентратора и сетевых кабелей связи. Для построения сети использован кабель типа «неэкранированная витая пара».

Пункт управления в наименьшей степени подвергается влиянию вибрации, производственному шуму и воздействию магнитных полей. Обеспечена система вентиляции и кондиционирования помещения, а также система естественного и искусственного освещения.

2.5.2 Выбор и обоснование щитов и пультов

Щиты систем автоматизации предназначены для размещения на них средств контроля и управления технологическим процессом, контрольно-измерительных приборов, сигнальных устройств, аппаратуры управления, автоматического регулирования, защиты, блокировки, линии связи между ними (электрическая коммутация). На лицевой панели щита также могут размещаться мнемосхемы, табло контроля по вызову и иногда экраны дисплеев.

В данном проекте используются стандартные шкафы фирмы Siemens (Германия) для системы SIMATIC PCS 7 [22, 23].

Технология изготовления шкафов позволяет строить любые конфигурации систем автоматизации SIMATIC PCS 7 с использованием AS41x и ET 200M распределенной периферии. Благодаря своей модульности, шкафы могут быть легко адаптированы к различным размерам и целям использования (для последовательных или непрерывных процессов).

Наиболее привлекательной базовой конструкцией является стандартный шкаф Siemens 8MC (2000x800x600) со степенью защиты IP40 или IP20 (с воздушными окнами на двери и перфорированной накладкой).

Для данных шкафов характерны низкие цены в отрасли вследствие высокой технологичности и серийности.

При необходимости, степень защиты может быть повышена до IP55 при использовании дополнительных материалов.

Полностью собранные системы AS 41x и ET 200M периферия со всеми необходимыми аксессуарами предлагаются в поставке базового шкафа.

Конфигурация системы и модулей ввода/вывода позволяет конструировать шкафы, удовлетворяющие требованиям Ex(i)-зон (кабельные каналы, изоляция шинных модулей, защитные барьеры).

Высокий уровень адаптируемости шкафов фирмы Siemens:

долгое время износостойкости, благодаря используемым универсальным модулям, совместимыми с большинством систем;

приспособляемость к различным приложениям благодаря своей модульной конструкции;

базовые и улучшенные шкафы основываются на одном и том же комплекте модулей;

до 4 систем или 6 комплектов модулей ввода/вывода может быть смонтировано в одном шкафе, и если глубина шкафа - 600 мм, монтажные блоки могут устанавливаться по обеим сторонам;

системы автоматизации и периферия могут устанавливаться в шкаф совместно;

установка боковых или разделительных панелей;

шкафы можно подгонять и скреплять вместе, попарно или рядами;

все монтажные, пусконаладочные, сервисные и ремонтные работы осуществляются со стороны передних дверей;

конструкция шкафа обеспечивает удобство при замене модулей;

разводка входных цепей питания, опционально с автоматами (Siemens) или встроенными выключателями (ETA с мониторингом коммутационных состояний контактов);

разводка питания и внещних цепей питания к модулям ввода/вывода;

разводка PROFIBUS DP от центральных устройств к ET 200M, OLM или OSM с использованием медного или оптоволоконного кабеля.

Системы локального ввода-вывода находят применение в небольших приложениях, характеризующихся размещением датчиков и исполнительных устройств на относительно небольшой площади. Системы локального ввода-вывода строятся на основе сигнальных модулей программируемых контроллеров SIMATIC S7-400 и являются альтернативой для систем распределенной периферии.

2.5.3 Монтаж приборов и средств автоматизации на щитах и пультах

Шкафы собираются в соответствие с требованиями VGB 4. Они CE-совместимые и соответствуют принципам, лежащим в основе EMC требований.

Шкаф Siemens 8MC выполнен в конструктиве закрытого каркасного типа, одностороннего обслуживания [ ].

Шкаф управления разделен на два отсека (контроллерный и силовой) металлической перегородкой. Данная перегородка служит для избежание наводок силовой части шкафа на контроллер SIMATIC S7-400.

В шкафу контроллеров установлены:

контроллеры SIMATIC S7-400, обеспечивающие управление всем процессом;

прямой пускатель с AS-интерфейсом - беспредохранительные фидерные сборки 3RA5, используемые для управления клапанами и электрическими исполнительными приводами;

блоки питания искробезопасной развязки датчиков (выход тока/напряжения);

автоматические выключатели и реле предназначенные для вывода дискретных сигналов.

Контроллеры фирмы Siemens размещены в шкафу согласно требованиям ЭМС, которые расположены в верхней части шкафа на высоте 1850 мм от уровня пола на профильной шине. Расположение модулей начинается с блока питания за ним следует процессор, а за процессором аналоговые и дискретные модули ввода/вывода сигналов.

Ниже модулей на профильной шине на высоте 1500 мм от уровня пола смонтированы дополнительный блок питания, источник бесперебойного питания и сетевой коммутатор.

Ниже на высоте 1100 мм от уровня пола расположен аккумулятор для источника бесперебойного питания.

На силовой панели находящейся на высоте 900 и 500 мм от пола смонтированы блоки питания и прямые пускатели - фидерные сборки 3RA5.

Все кабели подходящие в шкаф контроллера имеют экран, который присоединяется к специальной шине заземления для избежание наводок.

При компоновке средств автоматизации и контрольно-измерительных приборов, проектируемых для установки в шкафу приняты во внимание следующие факторы:

принятая проектом организация управления объектом;

расположение вводов;

назначение (оперативность) и количество приборов;

удобство монтажа и эксплуатации;

удобство монтажа и обслуживания электрических проводок.

Эти данные использованы при разработке чертежей показанных на листах графической части ГЧ.04-ГЧ.05.

Рисунок 2.21 - Вид шкафа изнутри

2.6 Монтаж технических средств автоматизации

2.6.1 Монтаж первичных преобразователей и отборных устройств

Монтаж приборов для измерения температуры, как правило выполняют по типовым чертежам. Типовые чертежи в зависимости от назначения и способа монтажа приборов для измерения температуры сгруппированы по трем технологическим признакам: установка на технологических трубопроводах и оборудовании; установка на стене; установка на щитах и пультах.

В данном проекте монтаж приборов для измерения температуры ПГ Sitrans, выполняется с помощью специальных закладных конструкций - бобышек, для установки на месте эксплуатации термопреобразователей и защитных гильз. Бобышка приварная - это деталь, привариваемая к технологическому трубопроводу или аппарату, имеющая резьбу (или без резьбы) для закрепления первичного измерительного преобразователя.

Рисунок 2.22 - Габаритные размеры бобышек

Погружаемая часть ТХАУ изготовлена из термопарного кабеля КТМС-ХА. В процессе монтажа погружаемую часть можно изгибать, укладывать в труднодоступные места и прижимать к поверхности для измерения ее температуры.

Рисунок 2.23 - Габаритные размеры ТХАУ

Способ монтажа прибора для измерения температуры на технологических трубопроводах или оборудовании зависит от диаметра трубопровода, конструктивных особенностей оборудования, места установки и габарита прибора [15].

Для высокотемпературных технологических процессов с целью уменьшения влияния температуры процесса на работу электронного преобразователя возможно изготовление по спецзаказу ТХАУ Sitrans-271-Exia с длиной наружной части 160 или 200 мм.

Монтаж приборов для измерения давления. В качестве приборов для измерения давления выбраны датчики ПГ Sitrans серии 1151 и модели 3051S.

Приборы устанавливают на смонтированное отборное устройство, заканчивающееся штуцером с внутренней резьбой М27х2. В штуцер вкладывается прокладка, материал которой выбирается в зависимости от параметров измеряемой среды. Прибор ввертывается в штуцер поворотом за шестигранник до уплотнения с прокладкой. Если корпус прибора занял неудобное для обозрения положение, его исправляют за счет толщины прокладки или кладут еще одну прокладку с тем, чтобы шкала прибора была обращена к возможному месту обслуживания. При измерении давления агрессивных и вязких сред применяются отборные устройства с мембранным разделителем.

Рисунок 2.24 - Монтаж датчиков с вентильными блоками БВН-04 и КМЧ

Закладные конструкции для установки отборных устройств давления заканчиваются запорной арматурой. Привариваемые к трубопроводам штуцера не должны выступать внутрь трубопровода во избежании образования завихрений у мест отборов.

Монтаж приборов для измерения расхода. Для измерения расхода выбраны приборы из семейства Rosemount Smart Family интеллектуальные вихревые расходомеры модели 8800С.

Требования к длинам прямолинейных участков: 15-40 Dу до расходомера (в зависимости от предвключенных местных сопротивлений), 5 Dу-после расходомера.

Рисунок 2.25 - Монтаж расходомера SITRANS F R

Монтаж приборов для измерения уровня. В качестве приборов для измерения уровня выбраны SITRANS LR фирмы Siemens [22].

Рисунок 2.26 - Монтаж приборов на плоской крыше и конус сигнала

Рисунок 2.27 - Рупорная антенна SITRANS LR 400

Рисунок 2.28 - SITRANS LR 200 с полипропиленовой стержневой антенной с экраном

Монтаж приборов для измерения физико-химических параметров. В данном проекте для непрерывного определения концентрации одного или нескольких газов в газовой смеси используются экстрактивный анализатор технологического газа Calomat 6 фирмы Siemens. Принцип его действия основан на использовании зависимости теплопроводности анализируемой газовой смеси от содержания в ней измеряемого компонента, поскольку теплопроводность последнего значительно отличается от теплопроводности остальных компонентов [23].

Рисунок 2.29 - Монтажный чертеж газоанализатора

2.6.2 Монтаж исполнительных устройств

Качество работы АСР или дистанционного управления в значительной мере зависит от способа сочленения исполнительного механизма с регулирующим органом и правильности его выполнения. Способы сочленения исполнительного механизма и регулирующего органа определяются в каждом конкретном случае в зависимости от типа и конструкции РО и ИМ, их взаимного расположения, требуемого характера перемещения регулирующего органа и других условий.

Регулирующие клапаны монтируются на трубопроводах при помощи фланцев входящих в комплект поставки с клапанами.

Рисунок 2.30 - Монтаж электромагнитного клапана 9000

2.6.3 Монтаж кабельных линий и план их расположения

Электропроводки проложены по кратчайшим расстояниям между соединяемыми приборами и средствами автоматизации, параллельно стенам, с минимальным количеством поворотов и пересечений. Они удобно расположены и достаточно удалены от мест с повышенной температурой, технологического оборудования и электрооборудования, силовых и осветительных линий. Нет перекрещивания с другими электропроводками. Трасса выбрана с учетом наименьшего расхода кабельных линий.

Все элементы кабельных проводок проложены с учетом удобств монтажа и эксплуатации, а так же исключая опасные механические натяжения и повреждения кабеля. Защиту электропроводок в данном проекте осуществляют стальные короба размером 200х200мм прокладываемые по наружным эстакадам.

Короб разделен металлическими перегородками на две части. В одной половине короба прокладываются силовые линии, а в другой импульсные линии проводок. Разделение короба необходимо, для того чтобы избежать наводок на импульсные кабели от силовых кабелей.

На плане расположения средств автоматизации и проводок ГЧ.05 определяются координаты установки этих средств и проводок и способы их осуществления. На основании чертежа производят монтажные работы в частности установка первичных и вне щитовых приборов и средств автоматизации, соединительных и других коробок, всевозможных металлоконструкций для прокладки и крепления электрических и трубных проводок.

В данном проекте на плане показаны кабели, уложенные в защитные трубы и короба, прокладываемые по каркасам технологических агрегатов и аппаратов.

Прокладка кабелей осуществляется в коробах. Между технологическим оборудованием вдоль стен над лотками электропроводок в коробах типа СП.

Для перехода электрических проводок с одного помещения в другое применен проход. Проходом называется проем в стене или перекрытие в здании или сооружении. Так как производство пожаро и взрывоопасное, то в проекте был выбран уплотненный огнестойкий проход групповых электрических проводок в коробах стальных через стены.

Штатные кабели, поставленные комплексно с отдельными видами приборов и средств автоматизации, присоединяются непосредственно к их зажимам.

Концы проводов, подключенные к приборам, аппаратам и сборкам зажимов, имеют маркировку, соответствующую монтажным схемам щита.

В проекте для подключения всех измерительных и управляющих линий (сигнал 4-20 мА, двухпроводная схема подключения) использован только один тип кабеля - это кабель Belden 3084А экранированная витая пара AWG 20(2х30), (ФРГ). Этот кабель применен для аналоговых сигналов. Экран кабелей для аналоговых сигналов должен быть заземлен. Марка кабеля приведена на листе ГЧ.02. В проекте использована труба стальная водогазопроводная 20х1,6 по ГОСТ 103-76 для выполнения основной магистрали подачи сжатого воздуха и трубка красномедная - трубка ПнП 8х1,6 по ГОСТ 18599-83 для выполнения подключения исполнительных механизмов.

2.6.4 Выбор и обоснование электрических и трубных проводок

В данном проекте используются кабели с ПВХ изоляцией, в ПВХ оболочке КГВВ, КУГВВ, КУГВЭВ н КУГВВЭ, предназначенные для фиксированного монтажа цепей управления и контроля, эксплуатируются при переменном напряжении 380 В или постоянном 500 В при температуре от -40 до +60°С и относительной влажности 98% при 40°С.

Кабели изготовляют сечением 0,35-2,5 мм2 с числом жил от 3 до 61. Токопроводящие жилы скручивают из медных проволок по конструкции класса 5 по ГОСТ 22483-77 с ПВХ изоляцией толщиной 0,6-0,2 мм. Экранированные жилы оплетают медной проволокой Ш 0,15 мм плотностью не менее 70%. Соответствующее число изолированных жил скручивают в кабель.

В кабелях КУГВЭВ применяют экранирование жил. По внутренним повивам кабеля допускают обмотку пластмассовой лентой. В повивах применяют счетные пары жил голубого или синего цвета, а во внешнем повиве рядом с ней - направляющую жилу красного или розового цвета. Скрученные в кабель жилы обматывают полиамидной, лавсановой или ПВХ лентой и накладывают оболочку из ПВХ пластиката. В кабеле КУГВВЭ скрученные жилы обматывают алюминиевой лентой толщиной 0,15-0,20 мм. Под экраном продольно подпускают медную проволоку диаметром 0,4-0,6 мм или многопроволочную медную жилу сечением 0,2-0,35 мм2 [23].

Трубной проводкой является совокупность труб, соединительных и присоединительных устройств, крепежных и установочных узлов собранных в цельную конструкцию, устройств защиты от внешних воздействий, проложенных и закрепленных на элементах зданий или на технологическом оборудовании.

Трубные проводки обладают необходимой механической прочностью при воздействии на них максимально возможных давлений и температуры. Материал трубы стойкий против агрессивных воздействий как со стороны протекающих процессов так и со стороны окружающей среды.

Проходные сечения труб импульсных линий связи обеспечивают передачу сигналов информации на заданные расстояния с временем запаздывания не более максимально допустимого для конкретных условий.

В проекте применена прокладка одиночных трубных проводок. В качестве импульсных трубных проводок использованы стальные бесшовные трубы. Прокладка трубных проводок производится с помощью крепления к конструкциям скобами.

2.7 Исследование и расчет алгоритмов управления

2.7.1 Постановка задачи исследования

При проектировании систем регулирования технологических процессов необходимо выбрать структуру системы и дать предварительную оценку параметров регуляторов. Сведения о динамических свойствах процесса зачастую получают по данным о действующих объектах аналогичного типа или на основе аналитического описания отдельных элементов процесса. После того, как система регулирования установлена, и технологический процесс запущен, параметры регуляторов (а иногда и структуру системы) приходится уточнять.

Свойства объекта регулирования и свойства регулятора влияют на свойства системы автоматического регулирования в целом и определяют устойчивость АСР и качество её работы.

В проекте выполнен расчет системы автоматического управления системой поддержания уровня в ректификационной колонне К-102(см. листы графической части)

Основная задача расчета САУ - расчет значений параметров настройки регуляторов, которые позволяют получить устойчивый переходный процесс с требуемым характером процесса регулирования (степень затухания, степень колебательности и т.д.).

Исходными данными для расчета являются математические модели динамики объектов и требования к качеству регулирования. Цель исследования САУ - проверка результатов расчета САУ - имитационное моделирование поведения замкнутой системы регулирования.

Рисунок 2.31 - Объект автоматизации

Объектом автоматизации является кожухотрубный теплообменник T-105. Цель автоматизации - поддержание заданной температуры подогреваемой воды.

Особенность этого теплообменника как объекта регулирования состоит в том, что при постоянном давлении и отсутствии переохлаждения образующегося конденсата (или перегрева образующегося пара) температура жидкой и паровой фаз одинакова и по ней нельзя судить об интенсивности процесса испарения или конденсации. В этом случае основным показателем процесса теплообмена является уровень жидкой фазы.

В теплообменнике для нагрева вещества до заданной температуры используется тепло конденсации греющего пара, задачей регулирования является стабилизация температуры технологического потока на выходе из теплообменника.

2.7.2 Разработка математической модели

Графо-аналитический метод

Исходные кривые разгона, являющиеся основой для определения передаточных функций объекта получаются путем использования программы LAB5. На этапе Эксперимент сначала надо выбрать канал нанесения возмущения. Необходимо последовательно провести эксперимент по снятию кривых разгона по трем каналам:

основной (главный) канал регулирования - вход U, выход X (для определения W(p));

вспомогательный канал - вход U, выход X1 (для определения W1(p));

канал возмущения - вход V, выход X (для определения W2(p)).

Возмущение на входе можно задать одинаковое по всем каналам, например 10% хода РО. После этого можно приступать к эксперименту. В правой верхней части экрана расположены часы, показывающие имитируемое текущее время эксперимента. Значения выхода (ординаты точек кривой разгона) отображаются на измерительных приборах, условно изображенных в нижней части экрана. После приостановки хода эксперимента надо записать значения выхода и времени для текущей точки кривой разгона. Достаточно снять 15-20 точек кривой разгона. Для последующей обработки результатов эксперимента используются только значения отклонений входа и выхода от первоначального установившегося состояния.

Метод площадей

Метод площадей является одним из инженерных методов идентификации динамических характеристик объектов управления. Этот метод удобен как для реализации на ЭВМ, так и для ручного счета и обладает вполне удовлетворительной для практики точностью.

Метод предполагает идентификацию вне процесса управления, так как использует не результаты измерений при нормальной эксплуатации САУ, а требуется проведения специальных экспериментов по снятию кривой отклика объекта на ступенчатое возмущение на входе объекта. По этой экспериментально полученной кривой разгона определяется коэффициенты передаточной функции вида:

(2.1)

Рисунок 2.32 - Структурная схема объекта регулирования

Коэффициент усиления объекта с самовыравниванием рассчитывается по формуле:

(2.2)

Метод применим и для объекта без самовыравнивания. Время чистого запаздывания определяется из графика кривой разгона как время, прошедшее с момента нанесения возмущения до появления реакции на выходе объекта. Метод площадей позволяет определить коэффициенты ai, bi, M, N.

При расчетах используется кривая разгона в нормированном виде, которая получается из исходной по формуле:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.