Разработка автоматизированной системы управления выпарного аппарата электрощёлоков

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Северский технологический институт - филиал

федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

(СТИ НИЯУ МИФИ)

Пояснительная записка

РАСУ.140801.271.20 ПЗ

Разработка автоматизированной системы управления выпарного аппарата электрощёлоков

Руководитель

Доцент А.Ю. Агеев

Студент

А.С. Постников



Оглавление

• Задание
• Введение
• 1. Описание технологического процесса и объекта управления
• 1.1 Общая характеристика процессов выпаривания
• 1.2 Объект управления
• 1.3 Теоретические аспекты процесса выпаривания
• 1.4 Схема автоматизации выпарного аппарата электрощёлоков
• 2. Классификация ОУ и разрабатываемой АСУ
• 3. Разработка комплекса технических средств
• 3.1 Выбор архитектуры системы управления
• 3.2 Выбор оптимальных способов измерения необходимых технологических параметров
• 3.2.1 Средства измерения температуры
• 3.2.2 Средства измерения уровня
• 3.2.3 Средства измерения концентрации
• 3.2.4 Средства измерения давления
• 3.3 Выбор вспомогательного оборудования
• 3.4 Выбор управляющего оборудования
• 3.5 Выбор исполнительных механизмов системы управления
• 3.5.1 Выбор запорной арматуры
• 3.5.2 Выбор электропривода для запорного устройства
• 4. Составление функциональной схемы автоматизации установки
• 5. Составление принципиальной электрической схемы питания оборудования системы
• 6. Расчет точности каналов измерения
• 7. Расчет точности каналов измерения
• Заключение
• Список литературы
• Приложения


Описание технологического объекта к заданию 20

Выпарной аппарат электрощелоков

Технологической схемой аппарата предусматривается, что щелоки поступают в аппарат поз.11 самотеком. Уровень щелоков в аппарате регулируется автоматически в диапазоне 0,15-0,22 ±0,011м над верхней решеткой камеры за счет изменения подачи щелоков в аппарат (контур 1). Выпарной аппарат обогревается паром, который подается в межтрубное пространство. Давление пара контролируется в диапазоне 0,1-0,3±0,015 МПа (контур 5). Образовавшийся из пара конденсат сливается в бак условно чистого конденсата. Для определения состояния выпарного аппарата контролируется наличие щелочи в конденсате (контур 6). Массовая концентрация «средних» щелоков пропорциональна температурной дисперсии и регулируется за счет отбора щелоков из трубного пространства выпарного аппарата (контур 2). Температура барометрической воды регулируется в пределах 35-60±3°С подачей в конденсатор оборотной воды (контур 3). Задание на регулятор температуры (контур 3) определяется вакуумным давлением в выпарном аппарате - 0,085 МПа (контур 4).



Введение

В век автоматизации и механизации актуальным становится техническое образование. На Западе уже в XVII веке поняли необходимость в специалистах инженерного дела. Это было связано со строительством первых дорог и мостов. В России техническими науками увлекался ещё Пётр I.

В настоящее время происходит ускорение темпов развития во всех сферах человеческой деятельности. Предприятия все чаще оказываются в условиях мелкосерийного производства. Острая конкурентная борьба вынуждает их в короткие сроки и с минимальными затратами перестраиваться на выпуск новой продукции в соответствии с запросами рынка.

Программа автоматизации производства оказывается надежным средством, приводящим не только к адаптации предприятий к новым социально-экономическим условиям, но и значительному числу технологических преимуществ, которые обеспечивают значительное увеличение прибавочной стоимости продукции. Кроме того, автоматизация процессов производства помогает выполнять многие, ранее не доступные человеку, технологические операции. Таким образом, внедрение автоматизации способствует общему технологическому прогрессу общества.

Основными целями автоматизации технологического процесса являются:

- сокращение численности обслуживающего персонала;

- увеличение объемов выпускаемой продукции;

- повышение эффективности производственного процесса;

- повышение качества продукции;

- снижение расходов сырья;

- повышение ритмичности производства;

- повышение безопасности;

- повышение экологичности;

- повышение экономичности.

В данной работе речь пойдёт о автоматизации технологических процессов. Цель этой работы разработка автоматизированной системы управления выпарным аппаратом электрощёлоков.



1. Описание технологического процесса и объекта управления

1.1 Общая характеристика процессов выпаривания

Выпаривание - это процесс концентрирования (сгущения) растворов, суспензий и эмульсий (чаще твёрдых веществ в воде), а также выделения растворенного вещества или получения чистого растворителя при кипячении. В процессе выпаривания парообразование (кипение) происходит в объеме выпариваемой жидкости за счет подвода тепловой энергии. Выпариванию подвергают преимущественно водные растворы нелетучих или мало летучих веществ. [1]

Цели выпаривания:

- концентрирования водных растворов щелочей (едкий натр, едкий калий), солей (NaCl, Na2S04, NH4NO3 и др.) и некоторых высококипящих жидкостей

- получения растворителя в чистом виде (например, для опреснения морской воды, используя аппараты-опреснители)

-  перенасыщенных растворов, в которых проводят кристаллизацию (растворы сахарозы, фруктозы, молочного сахара)

При выпаривании вода из раствора удаляется в виде пара, а растворенное вещество или дисперсная фаза эмульсий и суспензий остается в неизменном количестве. Тепло для выпаривания подводится различными теплоносителями. Однако основным теплоносителем является глухой водяной пар, называемый греющим или первичным. Пар, образующийся при выпаривании кипящих растворов, называется вторичным. Выпаривание проводят под атмосферным или повышенным давлением, под вакуумом. [2]



1.2 Объект управления

В качестве объекта управления нам дана однокорпусная выпарная установка со свободной циркуляцией для выпаривания в вакууме раствора, подающегося самотёком. Выпарная установка является аппаратом непрерывного действия в который подаётся раствор щёлоков S_н кг/с (с концентрацией целевого компонента ?_н, фиксированной температурой t_н и удельной теплоёмкостью С_н) для разделения на «средние» щёлока уходящие S_к (концентрация целевого компонента ?_к, фиксированная температура t_к и удельная теплоёмкость С_к) и вторичный пар W с энтальпией i. В качестве нагревателя используется пар D кг/с с температурой t_п и энтальпией i_п выводящийся в виде конденсата аналогичного количества с энтальпией i'_п.

Энтальпия -- это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии, сохраненной в его молекулярной структуре. Это значит, что, хотя вещество может обладать энергией на основании температуры и давления, не всю ее можно преобразовать в теплоту. Часть внутренней энергии всегда остается в веществе и поддерживает его молекулярную структуру. Часть кинетической энергии вещества недоступна, когда его температура приближается к температуре окружающей среды. Следовательно, энтальпия -- это количество энергии, которая доступна для преобразования в теплоту при определенной температуре и давлении. Единицы энтальпии -- британская тепловая единица или джоуль для энергии и Btu/lbm или Дж/кг для удельной энергии. [3]

Общая схема объекта управления представлена на рисунке 1.



Рисунок 1 - Схема объекта управления

Показатель эффективности процесса - массовая концентрация «средних» щёлоков.

Цель управления процессом - обеспечение заданной массовой концентрации «средних» щёлоков при эффективном и непрерывном выпаривании. электрощёлок электропривод запорный выпарный

Эффективность выпаривания обуславливается выбором параметров выпарной установки, температурой в котле установки и поддержанием вакуума, обеспечивающих выпаривание вещества до нужной концентрации. Непрерывность выпарного процесса в рамках локального аппарата зависит от состояния самого аппарата, определяемого по проникновению щёлочи в конденсат пара.

Однако в реальных условиях технологические объекты подвержены действию внешних и внутренних возмущений, которые приводят к отклонению технологических режимов работы от расчетных. Задача разработки системы автоматизации обеспечить в условиях действия внешних и внутренних возмущений в процессе эффективное и непрерывное его функционирование с требуемыми характеристиками качества. [4]

1.3 Теоретические аспекты процесса выпаривания

Материальный баланс (по растворенному веществу G_н ?_н = G_к ?_к) типичного процесса выпаривания для одноступенчатого выпарного аппарата имеет вид:

G_н = G_к + W, (1.1)

где G_н, G_к - массовые расходы соответственно поступающего и упаренного раствора, кг/с; W - количество выпариваемой воды, кг/с; ?_н и ?_к - соответственно начальная и конечная концентрации раствора, масс, %.

Уравнение теплового баланса одноступенчатой выпарной установки:

S_н?C_н?t_н+D?i_п=S_к?C_к?t_к+D?C?t_п+W?i+Q_0, (1.2)

где S_н - расход обрабатываемого раствора в кг/с, C_н - теплоёмкость обрабатываемого раствора, t_н - температура обрабатываемого раствора, D - расход пара в кг/с, i_п - энтальпия сокового пара, S_к -расход «средних» щёлоков в кг/с, C_к - теплоёмкость «средних» щёлоков, t_{к -} температура «средних» щёлоков, C - теплоёмкость воды, W - расход вторичного пара в кг/с, i - энтальпия вторичного пара, Q₀ - теплообмен с окружающей средой.

Из уравнения теплового баланса, помня, что S_н?C_н+C?W=S_к?C_к, находим расход греющего пара (в кг/с) [5]:

D=[C_н?S_н(t_к-t_н)+W(i-C?t_к)+Q0]/(i_п-C?t_п). (1.3)



1.4 Схема автоматизации выпарного аппарата электрощёлоков

По причине того, что в задании дан аппарат с уже рассчитанной системой управления по поддержанию температуры и давления в котле, то расчёт системы управления в данной работе приведён не будет. Однако следует описать эту систему управления.

В отличие от стандартных решений по контролю температуры процесса через количество поданного пара в данном аппарате это производится посредством подаваемого и отводимого раствора электрощёлоков. Это было реализовано потому что в данном аппарате массовая концентрация «средних» щелоков пропорциональна температурной дисперсии. В заданной системе управления температура прямо влияет только на отвод «средних» щёлоков (обработанного раствора) и косвенно, через поддержание заданного уровня раствора в котле аппарата, на подачу необработанного раствора.

Поддержание же вакуумного давления в котле происходит по стандартной схеме конденсирования вторичного пара. Барометрический конденсатор имеет стандартную схему управления: регулирование температуры барометрической воды увеличением расхода охладительного агента (оборотная вода) при понижении вакуумного давления в котле ниже заданного значения.

Регулирование:

- Регулирование температуры процесса расходом S_к - как показателя эффективности процесса перемешивания с целью получения гомогенизированного раствора.

- Регулирование уровня в аппарате H_c по подаче раствора S_н - для обеспечения материального баланса.

- Регулирование расхода оборотной воды S_o по температуре барометрической воды Т_кн - для обеспечения поддержания вакуумного давления в котле.

Контроль:

- концентрация - Q_щ;

- уровень - Н_с;

- температуры - Т_пр, Т_кн;

- давления - Р_п, Р_в.

Сигнализация.

- существенные отклонения Р_п, Р_в, Q_щ и Нсм от заданных;

- резкое увеличение Р_в и Q_щ, а также существенное увеличение Т_пр, Т_кн и Н_см подаёт сигнал «В схему защиты»;

- выход Р_п за границу интервала подаёт сигнал схеме управления парового котла.

Рисунок 2 - Схема автоматизации выпарного аппарата электрощёлоков

Система защиты.

- по сигналу «В схему защиты» - отключаются магистрали подачи исходных реагентов S_н и S_o, отбора смеси S_к и идёт сигнал тревоги на блок управления паровым котлом.

Схема автоматизации выпарного аппарата электрощёлоков и блок-схема алгоритма технологического процесса представлены на рисунках 2 и 3. Полная схема автоматизации выпарного аппарата электрощёлоков представлена в Приложении А.

Рисунок 3 - Блок-схема алгоритма технологического процесса



2. Классификация ОУ и разрабатываемой АСУ

При планировании, проведении и обобщении разработок АСУТП, а также решения ряда научных, технических и организационных вопросов для них, необходимо использовать классификацию АСУТП, то есть правила разбиения множества систем на их подмножества.

К основным классификационным признакам АСУТП относятся[6]:

- уровень, занимаемый ТОУ и АСУТП в структуре предприятия;

- характер протекания технологического процесса во времени;

- показатель условной информационной мощности;

- уровень функциональной надежности АСУТП;

- тип функционирования АСУТП.

1) По уровню в структуре предприятия, данная система управления относится к нижнему уровню АСУТП, так как управляет только установками, которые не имеют в своем составе других АСУТП.

2) По характеру протекания ТП, данный объект относится к АСУ с непрерывно-дискретным ТП, что следует из условий задания.

3) По условной информационной мощности, данный объект имеет наименьшую информационную мощность, так как в ней присутствует меньше 40 измеряемых и контролируемых технологических переменных.

4) По уровню функциональной надежности, данный объект имеет средний уровень, так как при отказах в АСУТП не приводит к остановам ТОУ.

5) По типу функционирования, разрабатываемая система управления имеет локально-автоматический тип функционирования, так как в ней решения по управлению технологическим процессам в целом принимает оператор, а регулирование выполняется автоматически согласно заданным параметрам в задание.



3. Разработка комплекса технических средств

3.1 Выбор архитектуры системы управления

Автоматизированная система необходима для того, чтобы облегчить труд человека, расширить его функциональные возможности или заменить полностью, если это возможно. Поэтому архитектура систем автоматизации во многом напоминает строение человека: роль органов чувств выполняют датчики, роль рук, ног и органов речи - исполнительные устройства, роль мозга - компьютер или контроллер. Благодаря такой аналогии архитектура системы автоматизации становится понятной любому человеку на интуитивном уровне. Однако при разработке конкретной системы возникает множество сложных практических вопросов, касающихся стандартизации, безопасности, коммерческой эффективности, технологичности, точности, надежности, совместимости, технического сопровождения, и т. п. [7]

На рисунке 4 представлен типовой вариант архитектуры АСУ с одним ЭВМ и одним устройством ввода и вывода, то есть архитектуру АСУ с диспетчерским управлением. Эта архитектура основная для автоматизации локальных установок как в заданном случае, поэтому она и будет использоваться в этом проекте.

Рисунок 4 - Типовой вариант архитектуры АСУ с одним ЭВМ и одним устройством ввода и вывода



Датчик (первичные измерительные преобразователи, сенсоры) - это элемент АСУ, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации (унифицированный сигнал), а иногда и для воздействия им на технические процессы. То есть датчик - это устройство, преобразующее входное воздействие измеряемой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Измерительный преобразователь - прибор АСУ нормализует, обеспечивает линейность, компенсирует погрешности и усиливает сигнал датчика(ов), согласуя его(их) с параметрами аналоговых входов модулей ввода. Измерительные преобразователи обычно совмещают с модулями аналогового ввода.

Модули ввода - это устройства АСУ для ввода аналоговых сигналов в дискретные устройства (ЭВМ), содержат АЦП. Могут быть общего применения (универсальные, понимающие несколько видов унифицированных сигналов от разных датчиков) или специализированные (могут либо понимать один вид унифицированных сигналов и содержат спроектированные под этот сигнал фильтры и усилители, либо работают с одним видом датчиков и содержат встроенные во внутреннюю память модуля таблицы поправок для компенсации измерений).

Кроме модулей аналогового ввода широко распространены модули дискретного ввода, которые позволяют вводить сигналы, имеющие два уровня (например, сигналы от концевых выключателей, датчиков открывания двери, пожарных датчиков, охранных датчиков движения и т. п.). Уровни входных сигналов модулей дискретного ввода могут изменяться в диапазоне, как правило, 0...24 В или 0...220 В. Модули с входом 220 В используются, например, для регистрации наличия напряжения на клеммах электродвигателя или нагревательного прибора.

Отдельное место занимают устройства счетного ввода, которые имеют дискретный вход и позволяют считать количество или частоту следования импульсов. Их используют, например, для измерения скорости вращения вала электродвигателя или подсчета продукции на конвейере.

Компьютер обычно является «мозгом» автоматизированной системы. Он принимает сигналы датчиков, исполняет записанную в него программу и выдает необходимую информацию в устройство вывода. Иногда устройства ввода-вывода выполняют в виде плат, которые вставляют непосредственно в компьютер, в разъемы шины PCI или ISA.

Так же компьютер может использоваться оператором (диспетчером). Оператор осуществляет наблюдение м контроль за распределенной системой машин, механизмов и агрегатов, при помощи системы SCADA (supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных). В этом случае компьютер становится АРМ (автоматизированным рабочим местом)

В автоматизированных системах вместо компьютера или одновременно с ним часто используют программируемый логический контроллер (ПЛК). Типовыми отличиями ПЛК от компьютера является специальное конструктивное исполнение (для монтажа в стойку, панель, на стену или в технологическое оборудование), отсутствие механического жесткого диска, дисплея и клавиатуры. Контроллеры также имеют малые размеры, расширенный температурный диапазон, повышенную стойкость к вибрации и электромагнитным излучениям, низкое энергопотребление, защищены от воздействий пыли и воды, содержат сторожевой таймер и платы аналогового и дискретного ввода-вывода, имеют увеличенное количество коммуникационных портов. В контролерах, в отличие от компьютеров, как правило, используется операционная система реального времени (например, Windows CE, QNX). [8]

Устройства вывода (модули вывода) позволяют выводить дискретные, частотные или аналоговые сигналы.



3.2 Выбор оптимальных способов измерения необходимых технологических параметров

3.2.1 Средства измерения температуры

Все типы приборов для измерения температуры (термометры) принято разбивать на два класса в зависимости от методики измерений. Традиционный и наиболее массовый вид термометров - контактные термометры, отличительной особенностью которых является необходимость теплового контакта между датчиком термометра и средой, температура которой измеряется. Вторую группу составляют бесконтактные термометры, для измерения которыми нет необходимости в тепловом контакте среды и прибора, а достаточно измерений собственного теплового или оптического излучения.

Контактные приборы и методы по принципу действия разделяются на:

а) термометры расширения, принцип действия которых основан на зависимости объемного расширения жидкости и линейных размеров твердых тел от температуры;

б) манометрические термометры, принцип действия которых основан на изменении давления рабочего (термометрического) вещества в зависимости от температуры;

в) термоэлектрические термометры (термопары), принцип действия которых основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры;

г) термометры сопротивления, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента (проводника или полупроводника) от температуры.

Бесконтактные методы, в основе которых лежит регистрация собственного теплового или оптического излучения, можно представить следующими направлениями:

а) пирометрия - измерение температуры самосветящихся объектов: пламени, плазмы, астрофизических объектов;

б) радиометрия - измерение температуры по собственному тепловому излучению тел. Для невысоких и комнатных температур это излучение находится в инфракрасном диапазоне длин волн;

в) тепловидение - радиометрическое измерение температуры с пространственным разрешением и с преобразованием температурного поля в телевизионное изображение, иногда с цветовым контрастом. Позволяет измерять градиенты температуры, температуру среды в замкнутых объемах, например, температуру жидкостей в резервуарах и трубах[9].

Для данной системы управления требуются приборы, измеряющие температуру, для выполнения следующих задач: 1) Регулирование температуры барометрической воды в пределах (35-60) ±3°С за счет изменения подачи оборотной воды в конденсатор (контур 3); 2) Контроль температуры щёлоков в выпарном котле в диапазоне от 180 до 851°С с погрешностью ±5% (контур 2). Для данных критериев подходит термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом.

Для решения первой задачи подходит термопреобразователь на основе медного терморезистора 50М (Cu50), так как он наиболее пригодна для измерения невысоких температур в интервале -50 - +200^оС в небольшом диапазоне и с малой погрешностью.

Для решения второй задачи наиболее подходит термопреобразователь на основе металлических термопар типа ТПП10(S) или ТПП13(R) (термопара платинородий-платиновая, цифра обозначает процентное содержание родия). Эти датчики наиболее пригодны для измерения температур в диапазоне -50 - +1300^оС в широком диапазоне и с приемлемой погрешностью. Неметаллические термопары непригодны из-за малой верхней границы или большой погрешностью на диапазоне +200 - +600^оС из-за гистерезиса температуры. Платиновый терморезистор так же может подойти для решения данной задачи, но под заданный диапазон температур терморезистор изготавливается на спецзаказ и имеет слишком высокую цену и большую погрешность на нижних границах диапазона.

Заранее обговорим, что элементы АСУ будут первоочерёдно выбираться российских производителей или произведённых на территории РФ по экономическим критериям и только за неимением таковых обратимся к зарубежным производителям.

По всем вышеперечисленным параметрам для решения первой задачи выбран аналоговый преобразователь температуры с унифицированным выходным сигналом ТСМУ Метран-274[10]. Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика микропроцессорный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей. Технические характеристики и параметры данного прибора приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Технические характеристики и параметры термопреобразователя ТСМУ Метран-274

Характеристики	Значения
Тип и исполнение термопреобразователя	ТСМУ Метран-274МП
НСХ	50М
Выходной сигнал, мА	4-20, 20-4
Диапазоны преобразуемых температур, оС	-50 -+180
Минимальный поддиапазон Поддиапазон - разность между верхним и нижним значениями настраиваемого диапазона измерения измерений, оС	25
Зависимость выходного сигнала от температуры	линейная

Измеряемый параметр для ТСМУ Метран-274МП - температура, преобразуемая в изменение омического сопротивления терморезистора, размещенного в термозонде. Программируемый нормирующий преобразователь (ПНП) преобразует сигнал от первичного преобразователя температуры (ППТ) с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) в дискретный сигнал. Дискретный сигнал обрабатывается микропроцессором с целью:

- линеаризации НСХ ЧЭ ППТ;

- перестройки пределов измерения в пределах рабочего диапазона температур;

- перенастройки номинальной статической характеристики в случае замены чувствительного элемента на другой тип.

По всем вышеперечисленным параметрам для решения второй задачи выбран аналоговый преобразователь температуры с унифицированным выходным сигналом ТП Метран-2000[11]. Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика микропроцессорный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей. Технические характеристики и параметры данного прибора приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Технические характеристики и параметры термопреобразователя ТП Метран-2000

Характеристики	Значения
Тип и исполнение термопреобразователя	ТП Метран-2000
НСХ	ТПП(S)
Выходной сигнал, мА	4-20, 20-4
Диапазоны преобразуемых температур, оС	-50 - +1300
Зависимость выходного сигнала от температуры	линейная

Выбор датчиков компании «Метран» был сделан, так как, компания является ведущим специалистом российских брендов в разработке, производстве и сервисном обслуживании интеллектуальных средств измерений для всех отраслей промышленности в России и СНГ.



3.2.2 Средства измерения уровня

Измерение уровня необходимо для контроля количества вещества в емкостях (бункеры, реакторы и пр.) и его расходе (изменении количества вещества во времени). Приборы для измерения уровня называются уровнемерами, а для сигнализации предельных значений уровня (минимального или максимального) - сигнализаторами уровня.

В зависимости от метода преобразования значений уровня в измеряемый электрический или пневматический сигналы уровнемеры делят на следующие группы: поплавковые, гидростатические, ультразвуковые, радарные, емкостные.

Сигнализаторы уровня подразделяют на ультразвуковые, емкостные, вибрационные, радиоизотопные и электромеханические [12].

Для данной системы управления требуется прибор, измеряющий уровень жидкости, для следующей задачи: регулирование уровня щёлоков в котле аппарата в диапазоне 0,15-0,22±0,011 м (контур 1).

По всем вышеперечисленным параметрам для решения первой задачи выбран радарный уровнемер УЛМ-11 предназначен для высокоточного бесконтактного измерения уровня жидких продуктов и сыпучих материалов в резервуарах. 

Уровнемер УЛМ-11 оптимизирован для построения систем коммерческого учета и для решения задач по измерению уровня, требующих максимально возможной точности и чувствительности.

Точность измерения и конструктивные особенности позволяют, на основе данных приборов, легко и быстро стоить разветвленные системы измерения уровня для резервуарных парков любой конфигурации и любой степени сложности, а также легко интегрировать уровнемеры УЛМ-11 в уже существующие измерительные комплексы. Технические характеристики и параметры данного прибора приведены в таблице 3.3.



Таблица 3.3 - Технические характеристики и параметры уровнемер УЛМ-11 

Характеристики	Значения
максимальная абсолютная погрешность	±1мм
ширина измерительного луча	40
температура контролируемого продукта	не ограничена
напряжение питания	24В постоянного тока, либо 220В 50Гц
аналоговый выход	4-20 мА

Универсальность уровнемера УЛМ-11 обусловлена использованием для измерения уровня продукта максимально возможной, на сегодняшний день, частотой электро-магнитного сигнала (СВЧ) в 94ГГц. 

Уровнемер УЛМ-11 одинаково пригоден для измерения уровня столь разных по отражательной способности продуктов как сыпучие продукты, жидкости и сжиженные газы. [13]

3.2.3 Средства измерения концентрации

pH-метр -- прибор для измерения водородного показателя (показателя pH), характеризующего активность ионов водорода в растворах, воде, пищевой продукции и сырье, объектах окружающей среды и производственных системах непрерывного контроля технологических процессов, в том числе в агрессивных средах.

Для данной системы управления требуются прибор, измеряющий pH в конденсате, для определения состояния выпарного аппарата (контур 6).

Согласно данным требованиям подходит промышленный pH-метр pH-4110 с удалённым первичным преобразователем предназначается для измерения активности ионов водорода, окислительно-восстановительного потенциала и температуры водных сред.

pH-метр с цифровой индикацией графически отображает измеренные значения pH и температуру или электродвижущую силу и температуру, их пропорциональное преобразование в унифицированные аналоговые выходные сигналы постоянного тока, сигнализацию о выходе измеряемых характеристик за границы установленных значений и их архивирование, обмен данными с компьютером по цифровому интерфейсу RS485. Внешний вид pH-метра приведён на рисунке 5.

Рисунок 5 - промышленный pH-метр pH-4110

pH-метр состоит из измерительного прибора и первичного преобразователя. Корпус первичного преобразователя с окном индикации (тип И) имеет взрывонепроницаемую оболочку. Корпус прибора предназначен непосредственно для навесного монтажа. Градуировка pH-метра по буферным растворам производится из меню измерительного прибора. [14]

Технические характеристики и параметры данного прибора приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Технические характеристики и параметры промышленный pH-метр pH-4110

Характеристики	Значения
Диапазон измерений, ед. pH	0 - 14
Пределы ЭДС на входе трансмиттера, мВ	от - 750 до + 750
Температура анализируемой среды, ?С	от 0 до +100
Предел допускаемого значения основной абсолютной погрешности:	-
- при измерении рН в комплекте с комбинированным электродом, рН	± 0,05
- при измерении ОВП в комплекте с комбинированным электродом, мВ	± 2
- при измерении температуры, °С	± 0,5
Режимы термокомпенсации	автоматический и ручной
Длина кабеля до комбинированного электрода, м, не более	4
Климатическое исполнение	УХЛ 4 по ГОСТ 15150
Степень защиты от пыли и воды	IP65 по ГОСТ 14254
Тип индикатора	жидкокристаллический графический
Линия связи между ПП и ИП	трёхпроводная, сечение проводов не менее 0,35 мм2
Длина линии связи, м, не более	300
Параметры выходных сигналов:	-
- два аналоговых программируемых	(0 - 5), (0 - 20), (4 - 20) мА (выбираются заказчиком)
- цифровой	RS485, протокол обмена ModBus RTU

3.2.4 Средства измерения давления

Датчики давления, как устройство для определения и измерения давления, применяют в энергетической, пищевой, химической, а также машиностроительной областях. Среди активно развивающего вида датчиков давления, можно отметить миниатюрные приборы, которые нашли применение в автомобильной промышленности, и повсеместно используются для измерения в покрышках, трубопроводах, циркуляции выхлопных газов, а также жидкостей в гидравлических системах.

Из множества возможных характеристик и классификаций датчиков давления, выделяется основная группа - это классификация по типу давления.

К данной группе относятся следующие виды:

- датчики абсолютного давления. Основная область использования - химическая, пищевая и фармацевтика. Начальное значение - вакуум, или нулевое значение. Основная функция - преобразование давления в электрический сигнал.

- датчики относительного давления. Данный вид имеет наибольшее распространение. Отсчет производится от значений атмосферного давления. Основная область использования - системы водоснабжения и трубопроводы.

- датчики дифференциального давления. Измерения производятся по разнице значений давлений, поступающих в прибор их двух выходов, встроенных в датчик. Этот вид датчика давления используется для определения уровня и расхода жидкости, а также загрязнений фильтров газа или жидкости. Отдельно можно обозначить также подвид - датчик дифференциального давления - манометрический. В данном виде давление определяется на основе эталонного значения. К примеру, кровяное давление человека, измеряется исходя из атмосферного давления.

- вакуумметр абсолютного давления и вакуумметр относительного давления (давление разряжения)- измеряют соответственно абсолютное давление газа или разность давлений (как правило, разность между давлением в измеряемой системе и атмосферным давлением). Вакуумметры предназначены для показания общего, полного давления, которое равняется сумме парциальных давлений газов. Для измерения парциального давления газа, т.е. давления конкретного газа, входящего в какой-то технологический газ (смесь газов), как правило, используют масс-спектрометрические методы измерения. 

Для данной системы управления требуются приборы, измеряющие давление в системах выпарного аппарата, для выполнения следующих задач: 1) отслеживание давления нагревающего пара в диапазоне (0,1-0,3) ±0,015 МПа (контур 5); 2) контроль давления-разряжения в котле выпарного аппарата на уровне 0,085 Мпа (контур 4).

Согласно данным требованиям для решения задачи 1 подходит интеллектуальные датчики давления Метран-150TA2 (рисунок 5).



Рисунок 6 - Интеллектуальный датчик давления Метран-150ТА2

Интеллектуальные датчики давления серии Метран-150 являются более совершенной модификацией датчиков давления Метран-100 (модификаций ДИ ДА ДВ ДИВ ДД ДГ) и предназначены для измерения и непрерывного преобразования в унифицированный аналоговый токовый сигнал и/или цифровой сигнал в стандарте протокола НАРТ, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485.

Управление параметрами датчика давления Метран-150 осуществляется:

- посредством клавиатуры или ЖКИ;

- с помощью НАРТ-коммуникатора;

- с компьютера посредством программы HART/Master;

- с помощью HART/модема и компьютера или программных средств АСУТП.

Датчики Метран-150 имеют улучшенный, по сравнению с Метран-100, дизайн и более компактную конструкцию, обладают поворотным электронным блоком и ЖКИ. Датчики Метран-150 изготовляются в соответствии с самыми высокими требованиями к контрольно-измерительным приборам. Метран-150 сохраняют работоспособность при кратковременном повышении токов или напряжений сверх установленных величин - имеют высокую перегрузочную способность, обладают защитой от переходных процессов. Отдельная внешняя кнопка установки "нуля" и диапазона. Непрерывная самодиагностика датчика дает необходимый уровень надежности и защищенности технического процесса. [15]

Технические характеристики и параметры данного прибора приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Технические характеристики и параметры Метран-150ТА2

Характеристики	Значения
Диапазоны измеряемых давлений датчика давления:
- минимальный, кПа	0-0,025
- максимальный, МПа	0-68
напряжение питания	24В постоянного тока
аналоговый выход	4-20 mA/НART, 0-5 mА

Согласно данным требованиям для решения задачи 2 подходит интеллектуальные датчики давления Метран-75G1 (рисунок 7).

Рисунок 7 - интеллектуальный датчик давления Метран-75G

Интеллектуальные преобразователи (датчики) давления Метран-75G отличаются компактной конструкцией и малой массой, имеют функцию непрерывной самодиагностики.

Управление параметрами датчика Метран-75 может осуществляться как с помощью HART-коммуникатора, так и удаленно с помощью программных средств АСУ ТП или с помощью AMS.

Приборы серии Metran-75 работают со вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой, регуляторами и другими устройствами автоматики, воспринимающими стандартный токовый сигнал 4-20мА и(или) цифровой сигнал в стандарте протокола HART. [16]

Технические характеристики и параметры данного прибора приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Технические характеристики и параметры уровнемер УЛМ-11 

Характеристики	Значения
Диапазоны измеряемых давлений датчика давления:
- минимальный, кПа	0-0,06
- максимальный, МПа	0-100
напряжение питания	24В постоянного тока
аналоговый выход	4-20 A/НART, 0-5 mА

3.3 Выбор вспомогательного оборудования

Для преобразования аналоговых сигналов датчиков температуры, расхода, уровня и концентрации в сигнал для передачи по сети RS-485 необходимо выбрать модуль ввода-вывода. Выбираем модуль ввода аналоговых сигналов ОВЕН МВ110-8А[17]. Прибор предназначен для измерения аналоговых сигналов встроенными аналоговыми входами, преобразования измеренных величин в значение физической величины и последующей передачи этого значения по сети RS-485. Данный прибор был выбран, из-за упрощения передачи данных с датчиков на ПЛК, а также из-за небольшой стоимости данного модуля, что впоследствии неизбежно повлияет на себестоимость системы управления. Внешний вид модуль ввода аналоговых сигналов ОВЕН МВ110-8А приведён на рисунке 8.



Рисунок 8 - Модуль ввода аналоговых сигналов ОВЕН МВ110-8А

Прибор работает в сети RS-485 по протоколам ОВЕН, ModBus-RTU, ModBus-ASCII, DCON. Тип протокола определяется прибором автоматически. Технические характеристики прибора ОВЕН МВ110-8А приведены в таблице 3.6.

Таблица 3.6 - Технические характеристики прибора ОВЕН МВ110-8А

Наименование	Значение
Напряжение питания	от 90 до 264 В переменного тока (номинальное напряжение 220 В) частотой от 47 до 63 Гц или от 20 до 375 В постоянного тока (номинальное напряжение 24 В)
Потребляемая мощность, ВА, не более	6
Количество аналоговых входов	8
Интерфейс связи с компьютером	RS-485
Максимальная скорость обмена по интерфейсу RS-485, бит/сек	115200
Протокол связи, используемый для передачи информации	ОВЕН, ModBus-RTU, ModBu-ASCII, DCON
Степень защиты корпуса	IP20 со стороны передней панели,
Габаритные размеры прибора, мм, не более	63х110х73

Для питания датчиков необходим блок питания. При выборе нужно учесть входное и выходное напряжение равные ~220 В и 24 В соответственно, количество каналов 7, так как датчики для измерения концентрации имеют напряжение питания 220 В. Данным критериям соответствует блок питания Карат-22. Он осуществляет преобразование напряжения 220 В переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока 24 В для питания датчиков. Внешний вид блока питания Каре-22 приведён на рисунке 9.

Рисунок 9 - Блок питания Каре-22

Технические характеристики[18]:

- количество каналов - 8;

- каналы гальванически развязаны;

- защита от короткого замыкания и перегрузок по каждому каналу;

- светодиодная индикация включения по каждому каналу;

- выходное напряжение - 24 В;

- класс стабилизации - 0.2;

- ток нагрузки Технические характеристики прибора ОВЕН МВ110-8А и - 50 мА;

- ток срабатывания защиты от перегрузки - не более 90 мА;

- ток короткого замыкания - не более 23 мА;

- питание - 220 В (50±1) Гц;

- потребляемая мощность - 60 ВА;

- масса - не более 3.5 кг;

- варианты монтажа: щитовой, навесной, крепление к горизонтальной поверхности, крепление непосредственно на трубопроводе.



3.4 Выбор управляющего оборудования

В системе по автоматизированному управлению реактором с мешалкой для производства экзотермической реакции с последующим теплообменном имеется 9 датчиков с аналоговым сигналом. Все датчики имеют унифицированный аналоговый выходной сигнал 4…20 мА / HART.

Критерии выбора средства автоматизации:

- предполагаемое применение (удаленная станция, элемент в составе распределенной сети, автономное устройство);

- точное назначение (работа с данными, аварийная блокировка и защита, управление инженерными системами, терморегулирование и т.п.);

- способы фиксирования и хранения данных;

- интерфейс, применяемый язык программирования, требования, сопряженные с характеристиками панели оператора;

- необходимость в функциях самодиагностики;

- необходимая скорость передачи информации, предполагаемые каналы связи, количество аналоговых и цифровых входов и выходов и пр.

Для данного объекта был выбран контроллер ОВЕН ПЛК 154 [19] имеет возможность использовать две среды (такие как CoDeSys и ISagraf) программирования для создания проектов. Технические характеристики контроллера ОВЕН ПЛК 154 приведены в таблице 3.7. Внешний вид ОВЕН ПЛК 154 приведён на рисунке 10.

Рисунок 10 - Программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК 154



Таблица 3.7 - Технические характеристики контроллера ОВЕН ПЛК 154

Наименование	Значение
Интерфейсы	Ethernet 100 Base-T, RS-232, RS-485,USB 2.0
Протоколы	ОВЕН, ModBus-RTU, ModBus-ASCII, DCON, ModBus-TCP, GateWay
Среда программирования	CoDeSys 2.3.8.1 (и старше)
Скорость обмена по интерфейсам RS	От 4800 до 115200 bps
Количество дискретных входов	8
Максимальная частота сигнала, подаваемого на дискретный вход	10 кГц при применении аппаратного счетчика и обработчика энкодера
Конструктивное исполнение	Унифицированный корпус для крепления на DIN-рейку (ширина 35 мм), длина 105 мм (6U), шаг клемм 7,5 мм
Степень защиты корпуса	IP20
Напряжение питания: ПЛК154-24, ПЛК 154-220	18...29 В постоянного тока (номинальное напряжение 24 В) 90...264 В переменного тока (номинальное напряжение 220 В) частотой 47...63 Гц;
Потребляемая мощность, не более ПЛК154-24, ПЛК154-220	6 Вт 10 Вт
Индикация передней панели	1 индикатор питания, 8 индикаторов входов, 12 ндикаторов выходов

3.5 Выбор исполнительных механизмов системы управления

3.5.1 Выбор запорной арматуры

Исполнительные устройства предназначены для преобразования управляющих (командных) сигналов в регулирующие воздействия на объект управления. Практически все виды воздействий сводятся к механическому, т.е. к изменению величины перемещения, усилия к скорости возвратно-поступательного или вращательного движения. Исполнительные механизмы являются последним звеном цепи автоматического регулирования и в общем случае состоят из блоков усиления, исполнительного механизма, регулирующего и дополнительных (обратной связи, сигнализации конечных положений и т.п.) органов.

Для данной системы будут использованы задвижки клиновые стальные фланцевые с электроприводом 30С941НЖ от компании «ЮБС-АРМ» [20].

Внешний вид задвижки 30С941НЖ приведён на рисунке 11, а её характеристики приведены в таблице 3.8.

Рисунок 11 - Задвижка клиновая стальная фланцевая 30С941НЖ

Таблица 3.8 - Технические характеристики задвижки 30С941НЖ

Наименование	Значение
Рабочая среда	вода, пар, жидкие и газообразные вещества, нефтепродукты
Температура рабочей среды	от -40 до +425 оС
Материал корпуса	Сталь
Присоединение	Фланцевое
Управление	Электропривод
Давление	Ру-16 кг-см2
Диаметр трубопровода	50 м

3.5.2 Выбор электропривода для запорного устройства

Электропривод - тип электромеханического устройства, разработанный для мониторинга и управления запорной и регулирующей арматурой. Данные устройства предназначены для механизации и автоматизации процесса управления задействованной арматуры, что позволяет ускорить и упростить стандартные операции, выполняемые во время эксплуатации на магистральных сетях, обеспечивая дистанционное управление. Так же получать в режиме онлайн полный перечень данных, которые помогают быстро реагировать при вероятности возникновения аварийных случаев. Электроприводы используются на сетях трубопроводов общего назначения и во взрывоопасных зонах IIВ по ГОСТ Р 51330.0-99, в помещениях и под навесом на открытом воздухе в соответствии с ПУЭ.

Для задвижек данной системы выбран многооборотный взрывозащищенный электропривод ГЗ-ВА.100 [21] компании «ЮБС-АРМ», имеющий 1ЕхdIIBТ4 маркировку взрывозащиты, относящуюся к типам ГЗ-ВА, с двухсторонней муфтой ограничения крутящего момента, используется для управления запорной трубопроводной арматурой в нефтяной, химической, энергетической, газовой сферах промышленности. Внешний вид ГЗ-ВА.100 приведён на рисунке 12.

Рисунок 12 - Электропривод ГЗ-ВА.100

Электроприводы рассчитаны для работы в повторно-кратковременном режиме S2 по ГОСТ 183-74 с продолжительностью включения 15 мин., с частотой включений - до 60 раз в час, для работы в режиме автоматического регулирования - до 600 включений в час (в режиме S4 по ГОСТ 183-74).

Питание электродвигателей осуществляется от трехфазной сети переменного тока, напряжением 380 В и частотой 50 Гц.

Электроприводы позволяют осуществлять:

- закрытие и открытие затвора арматуры с диспетчерского пульта управления;

- ручное управление затвором арматуры с помощью маховика ручного дублера при отсутствии электропитания;

- остановку затвора арматуры в любом промежуточном положении нажатием кнопки «Стоп» с диспетчерского пульта управления;

- автоматическое отключение электродвигателя двухсторонней муфтой ограничения крутящего момента при достижении заданного крутящего момента на выходном валу в положениях ЗАКРЫТО, ОТКРЫТО или при аварийной остановке подвижных частей в процессе хода на закрытие или открытие;

- сигнализацию на диспетчерском пульте управления крайних положений затвора арматуры и при срабатывании двухсторонней муфты ограничения крутящего момента;

- автоматическое отключение электродвигателя конечными микровыключателями электропривода при достижении затвором арматуры крайних положений;

- указание положения затвора арматуры на шкале местного индикатора.

- дистанционное указание степени открытия затвора арматуры на пульте управления;

- автоматическое переключение электропривода из положения ручного управления на управление электродвигателем;

- возможность регулировки крутящего момента в пределах от 60 до 100 % от максимального значения.



4. Составление функциональной схемы автоматизации установки

На схеме (Приложение А) изображен выпарной аппарат щёлоков. Для данного технологического объекта были задействованы следующие приборы:

1. для измерения температуры щёлоков в котле аппарата (контур 2) использовался термопреобразователь ТП Метран-2000;

2. для регулирования поступления оборотной воды в конденсаторе в конденсаторе (контур 3) использовался термопреобразователь ТСМУ Метран-274;

3. для регулирования уровня щёлоков в котле аппарата (контур 1) использовался радарный уровнемер УЛМ-11;

4. для измерения щёлочности конденсатора (контур 6) использовался pH-метр pH-4110;

5. для измерения давления пара (контур 5) использовался интеллектуальный датчик давления Метран-150ТА2;

6. для измерения давления давления-разряжения в котле выпарного аппарата (контур4) использовался датчик давления-разряжения Метран-75G.

Контуры с 7 по 9 отвечают за управление исполнительными механизмами, электроприводами ГЗ-ВА 100 для запорного устройства.



5. Составление принципиальной электрической схемы питания оборудования системы

Для того чтобы правильно подобрать кабель и аппарат защиты (автоматический выключатель) необходимо рассчитать некоторые параметры сети. Номинальный ток расцепителя автомата определяют по расчетному выражению:

(5.1)

где k = 1,15?1,25 - расчетный коэффициент, учитывающий отличие условий охлаждения выключателя от нормальных, возникающие вследствие установки его в распределительном шкафу, а также неточность расчета тока нагрузки [Коновалова].

Ток нагрузки, протекающий по защищаемой линии, определяется по выражению:

5.2)

где P_ном - номинальная мощность приводного электродвигателя; U_ном - номинальное (линейное) напряжение электрической сети, 380 В; cos? - номинальный коэффициент мощности приводного электродвигателя.

При выборе кабеля должно соблюдаться условие:

I_доп?I_з*K_з 5.3)

где К_з - коэффициент защиты (?1); I_з - ток защиты, А.

Ток защиты рассчитывается по формуле:

I_з=I_нагр*К₁

Следовательно:

I_доп?I_нагр*1

По полученным данным (I_нагр =8.82 А) находим допустимый ток в таблице допустимых токов для проводов и шнуров с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с медными жилами из ПУЭ [22]. Выбираем ближайшее значение, большее чем I_нагр, I_доп=17А.

17 А?8.82 А.

Условия выполнеется, сечение токопроводящей жилы - 1 мм², что является минимальным допустимым значением сечения медной жилы. Из расчета следует, что кабель состоит из четырех медных жил - ПВ-4х1.

Для защиты от перегрузок и короткого замыкания нам необходим аппарат защиты (автоматический выключатель), который должен соответствовать следующим требованиям:

1) число полюсов - 3;

2) вид расцепителя - комбинированный (для защиты от КЗ - электро-магнитный расцепитель, а от перегрузок - тепловой расцепитель).

Данным критериям соответствует автоматический выключатель «ВА 04-36» фирмы «КЭАЗ» [23]. «КЭАЗ» создал свой испытательный центр. Это - один из двух серьезных, реальных испытательных центров по НВА в России и СНГ с оборудованием общей стоимостью более 1 млн евро. Все изделия КЭАЗ проходят исследовательские, предварительные, сертификационные и периодические испытания в этом центре, что должно подтверждается договорами и протоколами в сертификатах. Фирма имеет долгую историю и широкий круг партнёров.

Для выбора серии автомата, требуется выполнение условия и расчет:

I_ном?I_нагр*k 5.4)

Где I_нагр - ток нагрузки, А; k - поправочный коэффициент (равен 1,25).

I_ном?11,025 А. 5.5)

Выбираем серию автомата так, чтобы выполнялось условие (5.4). У автоматического выключателя «ВА 04-36 36 16А» по техническим характеристикам номинальный ток равен 16А.

16 А ? 11,025 А.

Также должно выполняться условие:

I_отс > I_пуск , (5.6)

I_пуск=I_ном??, (5.7)

I_отс=I_ном?k (5.8)

где ? - кратность пускового тока двигателя (равна 7);

k - кратность автомата (выбирается из паспорта автомата).

Подставляем данные в формулы (5.6)-(5.8):

16 А ?10 > 11,025А ? 7;

160 А > 77,175 А.

Условие проверки выбора автомата сходится: ток отсечки больше пускового тока.

Теперь проверим согласованность автомата и кабеля между собой:

I_{доп КЛ} ? I_з ?k_з, 5.9)