Проект АСУТП закачки и транспортирования концентрированной серной кислоты

Размещено на http://allbest.ru

Аннотация

автоматизация программный транспортирование

В данной работе представлен проект АСУТП закачки, и транспортирования концентрированной серной кислоты, на складе серной кислоты предприятия ООО «Саф-Нева» Проект состоит из расчётно-пояснительной записки и графической части.

Расчётно-пояснительная записка содержит: описание технологического процесса закачки и транспортирования серной кислоты; описание используемого оборудования; обзор систем управления применяемых для данных технологических процессов и анализ задач управления технологическим оборудованием.

Проектно-конструкторская часть содержит: разработка оптимального варианта реализации автоматизированной подсистемы управления на основе методов декомпозиции; разработка подсистемы закачки серной кислоты на склад и подсистемы транспортирования кислоты в производственные цеха.

Информационное и программное обеспечение включает в себя разработку алгоритмов управления закачкой и транспортированием серной кислоты, разработку программы управления, разработку программы визуализации данных процессов.

В расчётно-пояснительной записке приводится: эксплуатационная документация, функционально-стоимостной анализ базового варианта цеха, раздел безопасности и экологичности проекта. В заключении содержится описание проделанной работы.

Данный дипломный проект содержит:

страниц расчётно-пояснительной записки:165

рисунков:55

таблиц:8

формул:28

листов графической части: 12 листов формата А1

использованных источников:19

Введение

Пищевая промышленность является одной из приоритетных областей промышленного производства. Кроме того это особая область, на которую практически не влияют различные финансовые катаклизмы, в том числе и мировой финансовый кризис. Это обусловлено тем, что люди могут отказаться от дорогих вещей, машин и т.д., но не могут отказаться от пищи. В связи с этим пищевая промышленность является наиболее интересной областью для инвестиций. Обычно эти инвестиции направлены на расширение производства, модернизацию и автоматизацию имеющегося оборудования.

К основным продуктам питания россиян относится хлеб и важнейшим сырьем для производства хлебобулочной продукции являются хлебопекарные дрожжи.

Брожение дрожжей - сложный технологический процесс, который требует постоянного контроля множества параметров. Один из важнейших параметров - кислотность среды (рН). Дрожжевая субстанция находится в водном растворе. Система является замкнутой, в процессе жизнедеятельности дрожжей выделяется щелочь. Для регулирования уровня pH (нейтрализации щелочной среды) используется концентрированная серная кислота.

Регулирование уровня pH, основывается на показания датчика pH, с аналоговым выходом 4-20 млА. Серная кислота подается из склада серной кислоты.

Цель автоматизации - максимально исключить участие человека в производстве. Техпроцессы с вязанные с серной кислотой являются очень опасными не только для жизни и здоровья человека но и для окружающей среды и любая авария на таком производстве может иметь катастрофические последствия. Кроме этого данная автоматизация будет производить сильный экономический эффект. Стабильная подача серной кислоты позволит лучше регулировать уровень pH, что позволить сохранить до 30% процентов продукции. Сточные воды при должном регулировании pH являются нейтральными, это позволить сократить денежные отчисления и штрафы связанные с превышением ПДК щелочей в сточных водах.

При проектировании АСУТП так же следует учесть тот факт, что концентрированная серная кислота является очень агрессивной средой. В связи с этим необходимо подобрать соответствующее оборудование с должным уровнем защиты.

1. Обоснование автоматизации технологических процессов на предприятии ООО «Саф-Нева»

1.1 Описание технологического процесса транспортирования и складирование серной кислоты

Серная кислотам H2SO4 -- сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях концентрированная серная кислота -- тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха. В технике серной кислотой называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом.

Серная кислота и олеум -- очень едкие вещества. Они поражают кожу, слизистые оболочки, дыхательные пути (вызывают химические ожоги). При вдыхании паров этих веществ они вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко -- ларингит, трахеит, бронхит и т. д. Отсюда следует, что человек должен, как можно меньше контактировать с серной кислотой и, как можно меньше находиться в помещениях, где она хранится. Таким образом, возникает необходимость максимального удаления человека из производства связанного с серной кислотой.

Серная кислота представляет опасность не только для здоровья человека, но и реальную угрозу для окружающей среды. Устранение непосредственного участия человека из технологических процессов связанных с кислотой позволить сократить до минимума «человеческий фактор». В данном проекте речь идет о складе, который расположен на территории завода «Кургандрожжи». Склад позволяет полностью удовлетворить потребность производства в серной кислоте. Процесс ферментации дрожжей - процесс непрерывный и длится на протяжении 8 часов. Все это время необходимо бесперебойно обеспечивать ферментеры серной кислотой. Устранение человека из процесса транспортирования кислоты в цех ферментации, а так же установка нового надежного оборудования позволит максимально снизить риски связанные с нарушением снабжения ферментеров кислотой.

В складе серной кислоты располагаются две емкости для хранения объемом 40 м³ каждая. Одна из емкостей - рабочая, вторая служит в качестве резервной емкости. Кроме того на складе расположена транспортная емкость, из которой происходит передача кислоты. В здании основного производства расположена буферная емкость.

1.1.1 Процесс заполнения емкостей №1 и №2 хранения серной кислоты

1. Поставщиком поставляется на завод серная кислота в железнодорожной цистерне.

2. Цистерна устанавливается перед складом, в определенное место.

3. К цистерне подсоединяется рукав для подачи сжатого воздуха.

4. На цистерну монтируется металлический трубопровод для передачи серной кислоты из цистерны в емкость хранения. Данный трубопровод подсоединяется к соответствующему трубопроводу одной из двух емкостей (№1 или №2) при помощи гибкой вставки.

Процесс передачи осуществляется путем вытеснения серной кислоты из цистерны в емкость для хранения сжатым воздухом.

5. В зависимости от того какая из емкостей будет заполняться, открывается один из ручных клапанов, расположенный на соответствующем трубопроводе.

6. Открывается ручной клапан на линии сжатого воздуха и автоматический клапан. Начинается процесс передачи. Автоматический клапан включается с помощью кнопки на пульте управления.

В случае переполнения емкости срабатывает датчик аварийного верхнего уровня и автоматический клапан должен закрыться, т. е. процесс передачи прекратиться.

7. После окончания процесса заполнения емкостей №1 или №2, все клапана закрываются, и трубопроводы отсоединяются от цистерны.

1.1.2 Процесс транспортирования серной кислоты на производство

Предположим емкость №1 - рабочая и заполнена серной кислотой.

1. Первый шаровой трехходовой кран устанавливается в положение ОТКРЫТО на емкость №1 и ЗАРЫТ на емкость №2. Данный кран расположен на трубопроводе перелива из емкости хранения в транспортную емкость.

2. Второй шаровой трехходовой кран устанавливается в положение ОТКРЫТО на емкость №1 и ЗАРЫТ на емкость №2. Данный кран расположен на трубопроводе сброса давления из транспортной емкости.

3. Открываются клапан подачи кислоты из емкости хранения в транспортную емкость и клапан подачи из транспортной в буферную емкость.

4. Включается система автоматического управления на пульте управления.

5. Срабатывает датчик нижнего уровня транспортной емкости так, как емкость пустая, и автоматически открывается клапан наполнения транспортной емкости. Клапан сброса давления - нормально открытый и поэтому находиться в открытом положении.

Начинается заполнение транспортной емкости серной кислотой.

6. При заполнении транспортной емкости срабатывает датчик верхнего уровня. Клапан наполнения закрывается. Процесс заполнения прекращается.

7. В процессе ферментации происходит задача серной кислоты в дрожжерастильные аппараты из буферной емкости, при этом клапана подачи из буферной емкости открыты.

При опорожнении буферной емкости срабатывает датчик среднего уровня, открывается автоматически клапан нагнетания давления и закрывается клапан сброса давления, среда начинает вытесняться воздухом из емкости транспортной в буферную емкость.

В случае срабатывания аварийного датчика верхнего уровня буферной емкости процесс передачи среды должен прекратиться, при этом клапан нагнетания давления закрывается, клапан сброса давления открывается.

8. При опорожнении транспортной емкости после срабатывания датчика нижнего уровня через определенное время автоматически закрывается клапан нагнетания давления, открываются клапаны наполнения и сброса давления. Процесс заполнения транспортной емкости повторяется.

9. После заполнения транспортной емкости процесс передачи повторяется.

Рассмотренные технологические процессы могут применяться не только на данном производстве. Инженерные решения найденные в ходе разработки проекта могут применяться и в других областях промышленности, где используется серная кислота:

1. В производстве минеральных удобрений;

2. Как электролит в свинцовых аккумуляторах;

3. Получения различных минеральных кислот и солей;

4. В производстве химических волокон, красителей, дымообразующих веществ и взрывчатых веществ;

5. В нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности;

6. В пищевой промышленности -- зарегистрирована в качестве пищевой добавки E513(эмульгатор);

7. В промышленном органическом синтезе в реакциях:

дегидратации (получение диэтилового эфира, сложных эфиров);

гидратации (этанол из этилена);

сульфирования (синтетические моющие средства и промежуточные продукты в производстве красителей);

алкилирования (получение изооктана, полиэтиленгликоля, капролактама) и др.

1.2 Описание используемого оборудования

На момент получения задания ан проектирование АСУТП на предприятии уже были установлены следующие элементы:

1) Две емкости, предназначенные для хранения серной кислоты производства завода ММЗ. Объем каждой емкости 40 м³.

На данных емкостях установлены фильтры для очистки воздуха от паров серной кислоты. Кроме того в верхней части к емкостям приварено несколько труб, окачивающихся фланцами. Данные трубы предназначены для соединения с системой внешних трубопроводов, по которым кислота поступает в емкость. В нижней части емкости так же есть подобные соединения, он предназначены для слива кислоты.

Для установки датчиков уровня предусмотрены технологические отверстия.

Рисунок 1.1 - Емкость хранения серной кислоты

2.) Транспортная емкость, представляющая собой толстостенный металлический сосуд. Объем транспортной емкости - 400 л. Емкость рассчитана на высокое давление и предназначена для передачи кислоты путем вытеснения её сжатым воздухом. К транспортной емкости приварены трубы с фланцевыми соединениями. Они служат для приема и передачи концентрированной серной кислоты, а так же для подвода сжатого воздуха.

Для установки датчиков уровня предусмотрены технологические отверстия.



Рисунок 1.2 - Транспортная емкость

Рисунок 1.3 - Буферная емкость

3) Буферная емкость находится в здании основного производства. Емкость предназначена для обеспечения потребителей кислотой Её объем составляет около 1,5 м³. Буферная емкость оснащена средствами для подсоединения трубопроводов подачи и слива кислоты. Так же как и на емкостях хранения, на буферной емкости расположен фильтрующий элемент, предназначенный для очистки воздуха от паров кислоты.

4) В качестве запорной арматуры с ручным приводом проекте используются мембранные клапана с фланцевым окончанием VMOV/CP-NО d20. При работе с концентрированной серной кислотой неприменимы шаровые краны, поэтому были выбраны мембранные клапана. Фирма FIP специализируется на производстве трубопроводов и запорной арматуры с высокой коррозийной стойкостью. Есть несколько серий: ПВХ, ХПВХ, ПП и др. Трубопровод - состоит из полимерного трубопровода из материала ХПВХ, стойкого к агрессивным средам.

Рисунок 1.4 - Мембранный вентиль

Материал корпусаU-PVC (ПВХ)

PP-H (ПП-гомополимер)

PVDF (ПВДФ)

C-PVC (Х-ПВХ)

Материал мембраны

EPDM

FPM

PTFE

Материал кольцевых уплотненийEPDM FPM

Дополнительное оборудование: индикатор положения, предохранительный запорный механизм, электрический датчик положения, установочная платформа для корпусов DN 15-50, окончания из полиэтилена, окончания из полипропилена.

1.3 Обзор технических средств, применяемых для транспортирования и складирования серной

1.3.1 Насосы

В случае когда кислота должна подаваться бесперебойно, применяют насосы различной конструкции. Принцип устройства центробежного насоса следующий. Внутри закрытого корпуса вращается рабочее колесо с лопастями Жидкость, попадая на эти лопасти у центра колеса, отбрасывается центробежной силой к стенкам корпуса. При этом создается давление, которое выталкивает жидкость в нагнетательный трубопровод. Создаваемое давление пропорционально диаметру рабочего колеса и квадрату частоты вращения этого колеса.

Центробежный насос для перекачивания кислоты показан на рисунке 1.10

К фланцу 2 чугунной станины 8 прикреплен корпус 1 насоса, вынесенный за пределы станины, благодаря чему на нее не попадают капли кислоты, которые могут вытекать из сальника. Часть вала 7, проходящего через сальник 6, защищена от действия кислоты втулкой 3, на которую насажено рабочее колесо 5. Поверхности втулки и рабочего колеса пришлифованы и притерты так, чтобы нужное уплотнение между ними достигалось без прокладки. При сборке насоса эти поверхности дополнительно защищают кислотостойким лаком, что полностью предотвращает их соприкосновение с кислотой.

Вал 7 монтируется на шарикоподшипниках 9, один нз которых (ближайший к муфте 12) воспринимает максимальную нагрузку. В крупных насосах для этой цели установлен специальный упорный подшипник. Станина насоса имеет крышку 10, через которую в ванну 4 заливают масло. Вал насоса соединен с валом электродвигателя эластичной муфтой 12.



1 - корпус, 2 - фланец станины, 3 -защитная втулка, 4 - масляная ванна, 5 - рабочее колесо, 6 - сальник, 7 - вал, 8 - станина, 9 - шарикоподшипники, 10 - крышка станины, 11 - заглушка, 12 - эластичная соединительная муфта

Рисунок 1.5 - Центробежный насос для перекачивания кислоты

В зависимости от назначения перекачиваемой жидкости кислотные центробежные насосы изготовляют из различных материалов: для кислоты низкой и средней концентрации - из ферросилида, для концентрированной - из высококачественного чугуна, для олеума - из стали.

Помимо центробежных насосов для перекачивания кислоты применяют вертикальные погружные насосы центробежного типа.

Принцип работы вертикального погружного насоса такой же, как у центробежного. Отличие его в том, что он расположен вертикально и погружен в сборник с перекачиваемой жидкостью. Поэтому здесь отсутствует необходимость в сифонах, подводящих кислотопроводах, сальниках. Кроме того, погружной насос занимает мало места и может быть очень быстро включен, что значительно упрощает его обслуживание.



1 - всасывающий патрубок, 2 - нагнетательный патрубок, 3 - патрубок для подвода смазывающей жидкости, 4 - опорная плита, 5 - вал, 6 - стойка

Рисунок 1.6 - Погружной центробежный насос

Для ремонта или смены деталей насос вынимают из сборника при помощи лебедки или специального приспособления и вновь устанавливают на место по окончании ремонта.

Погружной вертикальный насос изображен на рисунке 1.6

1.3.2 Емкости для хранения кислоты

На складе серная кислота хранится в баках, размещенных в здании или под навесом, предохраняющим от воздействия атмосферных осадков верхнюю часть баков, где находятся люки, распределительные вентили, сифоны и т. д.

Баки для хранения готовой кислоты это горизонтальные или вертикальные цилиндрические резервуары из листовой стали Обычно устанавливают несколько баков, чтобы при их чистке и ремонте можно было не останавливать завод. Вдоль резервуаров прокладывают железнодорожный путь..

Концентрированную серную кислоту (башенную, контактную) и олеум хранят в стальных нефутерованных баках. Стальные баки для хранения особенно чистой, а также низкоконцентрированной серной кислоты футеруют кислотоупорной керамикой.

Баки-хранилища монтируют выше уровня земли на ленточных фундаментах, чтобы обеспечить возможность осмотра и ремонта днища. Для удобства обслуживания баков-хранилищ над ними устанавливают площадки с лестницами. Для опорожнения самотеком их устанавливают на определенной высоте.

1.3.3 Сифоны

В сернокислотном производстве сифоны используются для опорожнения циркуляционных сборников, резервуаров и железнодорожных цистерн с кислотой, а также для присоединения к этим емкостям работающих под наливом центробежных насосов. При этом отпадает необходимость в спускных устройствах и штуцерах, расположенных ниже уровня кислоты, которые часто являются источником течи.

На рисунке 1.7 показана схема подключения центробежного насоса / к циркуляционному сборнику 11 посредством сифона 7 и всасывающего трубопровода 4.

Для зарядки сифона открывают кран 10 на вакуум-линии 6. При появлении кислоты в смотровом стекле 8 кран 10 закрывают; затем открывают кран 12, соединяющий сборник 11 с работающим насосом 1, который опорожняет сборник и подает кислоту в систему сернокислотного производства.

1 - центробежный насос; 2 - шланг; 3, 10, 12 - краны; 4 - всасывающий трубопровод: 5 - нагнетательный трубопровод; 6 - вакуум линия; 7 - сифон; 8 - смотровое стекло; 9 - воздушник; 11 - циркуляционный сборник; 13 - лоток для сбора пролива кислоты

Рисунок 1.7 - Схема подключения центробежного насоса к циркуляционному сборнику посредством сифона

Для отключения сифона от вакуум-линии 6 открывают воздушник 9. Чтобы предотвратить выброс кислоты через воздушник, надо предварительно опустить уровень кислоты ниже смотрового стекла 8. Для опорожнения насоса 1 его останавливают и при открытом кране 12 перепускают кислоту из нагнетательной линии 5 в сборник 11 до минимального уровня.

Оставшуюся в насосе кислоту спускают в лоток 13 через ослабленный сальник насоса при закрытом кране 12. Из лотка кислота шлангом 2 при открытом кране 3 отсасывается в вакуум-сборник по вакуум-линии 6.

1.3.4 Монжусы

Монжусы (монтежю) -- герметичные резервуары для перемещения кислоты под давлением сжатого воздуха. Их выполняют из углеродистой стали (при необходимости футеруют) или из кислотостойкой стали; рассчитывают на давление до 4 кгс/см².

Рисунок 1.8 - Монжусы:

а - горизонтальный; б - вертикальный; 1 - штуцера для указания уровня; 2 - штуцер подачи сжатого воздуха; 3 - подача кислоты; 4 - штуцер для установки предохренитльного клапана; 5 - перелив; 6 - спуск остатков кислоты.

1.3.5 Цистерны для перевозки кислоты

В соответствии с нуждами и запросами потребителей серную кислоту разливают в тару различной вместимости. На дальние расстояния ее большей частью перевозят в железнодорожных цистернах грузоподъемностью до 75 т. При отправке небольших партий серной кислоты местным потребителям пользуются автоцистернами, контейнерами, стальными бочками вместимостью 100-- 250 л, стеклянными бутылями вместимостью 30 л, аккумуляторную и реактивную кислоту разливают также в стеклянные бутыли вместимостью до 1 л.

Железнодорожная цистерна представляет собой сварной цилиндрический резервуар, укрепленный на раме вагона. На случай возможного увеличения объема кислоты (при повышении температуры) в верхней части цистерны есть купол. Там же находится люк для осмотра, промывки и ремонта цистерны. Цистерна имеет соответствующие устройства для подачи в нее воздуха и кислоты, а также для слива кислоты. Цистерны разгружают при помощи сифона или сжатого воздуха. В последнем случае верхний штуцер цистерны соединяют с источником сжатого воздуха; кислота выливается из цистерны по трубе, доходящей до дна цистерны.

Рисунок 1.9 - Ж/д цистерна для перевозки серной кислоты.

Загрязненные цистерны перед наливом кислоты промывают водой, остатки которой должны быть удалены. Резервуары из-под нефтепродуктов перед наливом в них серной кислоты подвергают специальной очистке и продувают воздухом. При попадании в цистерну влаги серная кислота разбавляется и становится коррозионно-активной. Поэтому все люки и краны на цистернах должны быть герметично закрыты. Металл для изготовления цистерн должен быть, возможно, более однородным во избежание образования гальванических пар, действие которых вызывает коррозию.

В обычных стальных железнодорожных цистернах перевозят олеум, концентрированную контактную кислоту, башенную кислоту и меланж. Для аккумуляторной и улучшенных сортов серной кислоты применяют цистерны из кислотостойкой стали; менее концентрированную серную кислоту перевозят в стальных цистернах, освинцованных или футерованных изнутри кислотоупорными материалами (полиизобутиленом, винипластом и др.). Цистерны для перевозки олеума снаружи покрывают теплоизоляцией во избежание его замерзания в пути.

1.4 Анализ задач управления

В качестве управляющего устройства использован контроллер CJ1M фирмы Omron. Шкаф контроллера располагается в отдельном помещении на складе серной кислоты, что позволяет оградить его от воздействия вредных испарений кислоты.

Система управления должна обеспечивать следующие функции:

- открытие/закрытие клапан подачи воздуха в ж/д цистерну

- контроль наличия кислоты в трубопроводах наполнения емкостей хранения

- контроль верхнего (крайнего) уровня в емкостях хранения кислоты

- открытие/закрытие клапана сброса давления из транспортной емкости.

- контроль открытия/закрытия клапана сброса давления из транспортной емкости

- открытие/закрытие клапана нагнетания давления в транспортную емкость.

- контроль открытия/закрытия клапана нагнетания давления в транспортную емкость

- открытие/закрытие клапана наполнения транспортной емкости.

- контроль открытия/закрытия клапана наполнения транспортной емкости.

- контроль уровня в транспортной емкости

- контроль времени наполнения/опорожнения транспортной емкости

- контроль уровня в буферной емкости

- опрос кнопок пульта управления

- индикация состояния системы

- подача аварийного сигнала

В проектируемом варианте системы управления планируется следующие решения:

- С целью повышения надёжности системы управления в качестве устройства управления планируется использовать промышленный контроллер, имеющий соответствующее исполнение и приспособленный для работы в условиях возможности распространения паров серной кислоты.

- С целью точного контроля уровня в емкостях хранения кислоты планируется установка ультразвуковых датчиков.

- С целью повышения удобства работы со складом планируется изготовления двух шкафов электроавтоматики. В одном из них будет находиться ПЛК и пульт управления складом. Второй шкаф будет расположен в здании основного производства, откуда операторы смогут следить за состоянием склад и, в случае необходимости, остановить процесс закачки или транспортирования.

- С целью повышения безопасности оба шкафа управления оснащены звуковой и световой аварийной сигнализацией.

- С целью выяснения причин возникновения аварийной ситуации планируется на программном уровне вести особый журнал ошибок, где будет хранится дата, время, а так же код аварийной ситуации.

Автоматизация склада серной кислоты представляет собой комплексное решение, принятие и реализацию которого можно разбить на следующие этапы:

1) Изучение специфики производства;

2) Выбор комплекта необходимых технических средств (приборов, датчиков, исполнительных механизмов, средств сбора и обработки информации, средств для реализации человеко-машинного интерфейса);

3) Разработку проектной документации (схемы автоматизации, электрических принципиальных схем и схем соединений, схем компоновки оборудования, описания базы данных системы, алгоритмов управления);

4) Разработку программ, реализующих алгоритмы управления технологическим оборудованием (нижний уровень управления) и алгоритмы сбора и обработки информации (верхний уровень управления);

5) Поставку оборудования и его монтаж;

6) Проведение пуско-наладочных работ.

1.5 Техническое задание на проект системы управления

1.5.1 Наименование и область применения

Проектируемая автоматизированная система управления технологическими процессами предназначена для автоматизации процесса закачки и транспортирования серной кислоты. Разработанная автоматизированная система управления предназначена для выполнения функций управления данными процессами. Управление включает в себя получение информации о ходе протекания операций закачки и транспортирования при помощи датчиков, а также генерацию управляющих воздействий на исполнительные механизмы.

1.5.2 Основания для разработки

Основанием для разработки служит задание кафедры автоматизации производственных процессов Курганского государственного университета, утвержденное приказом по университету, на разработку дипломного проекта на тему "Проект АСУТП предприятия ООО «Саф-Нева»".

1.5.3 Цель и назначение разработки

Проектируемая система управления предназначена для автоматизации закачки кислоты из ж/д цистерны в емкости хранения и передачи кислоты в цех ферментации.

Целью разработки является система управления процессами передачи и закачки кислоты.

1.5.4 Источники разработки

Источниками разработки являются учебная и справочная литература, указанные в соответствующем разделе, а также материалы, затрагивающие данную тематику, полученные из сети Internet, специализированных журналов. А также документация, полученная на предприятии ООО «Саф-Нева»

1.5.5 Режимы работы

Процесс закачки может осуществляться в двух режимах:

1) Автоматический. Контроллер управляет подачей сжатого воздуха в ж/д цистерну и следит за наполнением емкостей хранения. В случае если уровень кислоты в наполняемой емкости достигает верхнего датчика, закачка прекращается.

2) Ручной. Подачей сжатого воздуха в ж/д цистерну управляет оператор.

Наличие персонала требуется при обоих режимах работы.

Процесс передачи кислоты так же может осуществляться в двух режимах:

1) Автоматический. Котроллер следит за уровнями в буферной и транспортной емкости, а так же управляет клапанами наполнения транспортной емкости, нагнетания и сброса давления. В случае опорожнения транспортной емкости, происходит наполнение. В случае опорожнения буферной емкости до среднего уровня происходит процесс передачи. Процессы наполнения/опорожнения емкостей, а так же время переключения клапанов контролируются контрольными таймерами.

2) Ручной. Клапанами наполнения транспортной емкости, нагнетания и сброса давления управляет оператор.

Наличие персонала требуется при ручном режиме работы

При всех режимах работы информация о состоянии объекта выводится на пульт оператора.

1.5.6 Условия эксплуатации

Система управления должна нормально функционировать в условиях производственного цеха умеренного климата. Все оборудование, установленное на линии, должно иметь соответствующее исполнение, и соответствующую маркировку.

Также оборудование, устанавливаемое на гальваническую линию, должно сохранять работоспособность при работе в агрессивной среде.

Условия эксплуатации:

-температура окружающего воздуха:от 0 ⁰С до 45 ⁰С;

-относительная влажность воздуха:от 10 до 80 %;

-атмосферное давление:от 84 до 107 кПа;

-напряжение питания:220В±10%;

-частота питающей сети:50±2 Гц.

1.5.7 Технические требования

Система должна удовлетворять требованиям надежности компонентов, обеспечивать надежность связи между элементами системы. Система должна удовлетворять требованиям СНиП 1.02.01-85, иметь инструкцию по типовому проектированию СН 227-82. Устройство и эксплуатация системы должны соответствовать ГОСТ 12.2.003 -74 «ССБТ. Оборудование производственное. Общие требования безопасности». Требования по обеспечению пожарной безопасности должны соответствовать ГОСТ 12.1.004-85 «Пожарная безопасность. Общие требования».

1.5.8 Стадии и этапы разработки

Разработка дипломного проекта должна осуществляться в сроки, предусмотренные заданием на дипломное проектирование.

Разработку дипломного проекта можно разбить на следующие этапы:

- выбор темы дипломного проекта;

- изучение исходной документации на склад серной кислоты

- изучение технологического процесса закачки и транспортирования серной кислоты.

- разработка структурной схемы склада;

- выбор устройства управления;

- выбор технических решений и оборудования проектируемой линии

- разработка схемы электрической принципиальной;

- разработка управляющей программы;

- экономический расчёт;

- оформление листов графической части и сведение описаний в расчётно-пояснительную записку.

1.5.9 Порядок контроля и приемки

Контроль за ходом разработки ведется руководителем проекта и консультантами по графику работы. Распоряжением заведующего кафедрой создается комиссия в составе 3-х, 4-х человек. Комиссия оценивает готовность проекта для направления к рецензенту и защиты в ГАК. РПЗ и графическая часть проекта представляются на предварительную защиту с подписями нормоконтролера и консультантов.

2. Разработка АСУТП

2.1 Проектирование, конструирование и моделирование технических средств

2.1.1 Разработка оптимального варианта реализации системы управления на основе методов декомпозиции

Решение сложных творческих задач при создании новых объектов, технологий, а также проектов, реализуемых в нетехнической сфере, базируется на итеративных последовательностях процедур анализа и синтеза, эффективное проведение которых основывается на создании и использовании методов активизации поиска новых идей.

Итеративный процесс "анализ-синтез" формирует создаваемый объект, базируясь на философских диалектических категориях "часть и целое", характеризующих общее движение познания, которое начинается с нерасчлененного представления о целом (видимая часть проблемы), затем переходит к анализу - расчленению целого на части (истинная проблема) и завершается воспроизведением (синтезом) объекта в форме конкретного целого (решение проблемы).

При такой постановке решение проблемы создания нового объекта (процесса, проекта) целесообразно представить в виде трех взаимосвязанных этапов.

Этап 1. Формирование общего желаемого (видимого) представления о создаваемом объекте, о его потребности (функции); структуризация проблемы (целей и задач) создания объекта.

Этап 2. Декомпозиция (анализ) задачи создания объекта - разделение ее на части, образуемые относительно независимыми признаками (свойствами) объекта, с указанием множеств альтернатив реализации этих признаков. При n признаках B_i и m_i альтернативах B_im реализации каждого из них декомпозицию любой задачи можно представить схемой, приведенной на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Схема декомпозиции задачи в процессе ее анализа.

Этап 3. Синтез решения как "свертка" поискового пространства, образованного декомпозиционной схемой задачи создания объекта (этап 2). При "свертке" для каждого из n признаков B_i выбирается одна из mi альтернатив реализации этого признака. Принципы и процедуры синтеза рассмотрены далее.

Первый этап создания нового объекта - представления о нем как о "нерасчлененном целом", он является ответственным и непростым. Здесь требуется четко определить и раскрыть поставленную цель, возможные последствия и результаты ее достижения. На этом этапе важно установить, что необходимо делать, а затем уже на следующих этапах - как это делать. Трудности первого этапа обусловлены целым рядом факторов:

- невозможностью точного представления последствий принимаемого решения;

- наличием множества возможных путей решения;

- неполнотой исходной информации, на основе которой формулируется проблема.

При анализе современных научных, технико-экономических и других задач возникает множество различных трудностей. Поэтому рассматриваемый этап тем и интересен, что не ставит целью получение окончательного и точного решения задачи. Здесь достаточно получить приближенные ответы на наиболее важные, ключевые вопросы. При этом можно различать и использовать три вида решений: дедуктивные, абдуктивные и индуктивные.

Вид решения выбирается на основе анализа, при котором каждое свойство создаваемого объекта оценивается в совокупности со всеми остальными, что соответствует системному подходу решения сложных задач, который направлен также на то, чтобы упростить решение и выделить наиболее существенное в сложном, сохранив при этом комплекс свойств объекта как одного целого.

Практика показывает, что отдельно взятый объект как компонент другого объекта (комплекса), каким бы совершенным он не был, не решает конечной задачи. С другой стороны, комплекс согласованных объектов, включая и людей, обеспечивающих их функционирование, ведет себя как нечто целое, отличающееся от поведения элементов его составляющих. Поэтому все искусственные системы (объекты), созданные руками и разумом человека, действуют как единое целое, составленное из отдельных структурных элементов, выполняющих отдельные функции в интересах некоторой общей цели.

Цель рассматривается как результат определенного курса действий, достигаемый с учетом желательных или необходимых потребностей и реальных научных, технических, экономических, правовых и других возможностей. Сложность выбора целей заключается в необходимости неформальных суждений и действий по существу проблемы, т.е. выбор цели всегда неформален - это прерогатива человека.

Вне всякого сомнения, выбираемые цели значительно отличаются по степени глобальности и конкретности, они могут быть и несогласованными друг с другом. Возникает вопрос, каким образом можно составить хотя бы какую-то структуру для первоначального списка целей. Часто эти цели можно объединить в систему, построив их иерархию по аналогии с иерархическими структурами объектов и процессов. Здесь также могут оказать помощь понятия конкретизации и выделения логической связи "цель - средство достижения цели".

Конкретизация означает разбиение цели на более подробные низкого уровня, что способствует разъяснению смысла более общей цели. В то же время цели нижележащего уровня можно также считать средствами для достижения целей вышележащего уровня. Таким образом, рассматривая очень "точные" цели нижних уровней, как средства для достижения более высоко расположенных целей можно строить иерархию "снизу вверх". Конкретизацией общих (глобальных) целей - разбиением их на более подробные цели - строится иерархия "сверху вниз".

Таким образом, последовательное расчленение целей на элементы (или их объединение) позволяет структурировать все цели и создать систему их связей в виде "дерева целей".

В значительной степени иерархия целей при структуризации это зависит от того, для чего она используется в дальнейшем. Очевидно, только здравый смысл и рассмотрение преимуществ и недостатков детализации подскажут, когда следует остановиться. Важно, чтобы все аспекты цели при ее разделении были учтены в подцелях (целях более низких уровней).

В конечном итоге структуризация целей и задач позволяет точно определить место (уровень) создаваемого объекта в иерархии систем любой сложности и способствует формированию первоначального представления о нем как о "нерасчлененном целом".

Декомпозиционная схема формирования структуры линии

Потребности и цели создания объекта, структуризация целей и предполагаемых задач, решение которых ведет к достижению этих целей, формирует общее представление об объекте. Анализ объекта на втором этапе осуществляется путем декомпозиции поставленных задач в пространстве, в основном, неметрических структурных характеристик, обусловленных требованиями к объекту. Результатом такого анализа является декомпозиционная схема, при построении которой исходят из следующих двух положений:

Во-первых, декомпозиция осуществляется неформально и на первом уровне разбиения задачи, исходя из назначения и потребности объекта, определяются основные направления, формирующих концепцию его строения в виде множества структурных характеристик Х , образующих n блоков 1-го уровня декомпозиции.

Во-вторых, для каждой области (свойства) Х первого уровня на втором уровне декомпозиции формируются множества альтернатив Х Х , выбираемым на основе анализа известных решений.

Построенная на основе принципов и правил декомпозиции, любая декомпозиционная схема является n - мерным поисковым пространством Rⁿ={ Х }, в котором каждое решение представлено вектором xRⁿ, являющимся множеством из набора альтернатив Х вида:

X = { Х₁, … , Х_i , … , Х_n }.

Геометрической интерпретацией пространства Rⁿ является его развертка на плоскость, состоящая из матричных блоков, образованных пересечением всех блоков 1-го уровня декомпозиции и альтернатив, образующих клетки матриц:

R_B = n ( n-1 ) /2.

Развертка n-мерного поискового пространства для задачи проектирования автоматизированной линии по производству порошковых лекарственных форм представлена на листе №2 графической части дипломного проекта.

Общее количество вариантов структуры N определяется:

N = m₁ m ₂ … m _n,

где m₁ - количество альтернатив реализации первого признака.

Таблица 2.1 - Декомпозиционная схема анализа задачи формирования структуры системы управления

Х	1-й уровень декомпозиции	Х	2-й уровень декомпозиции
Х1	Тип системы автоматизации	X11 X12 X13	Централизованная Распределенная Смешанная
Х2	Тип системы по глубине автоматизации	X21 X22 X23 X24	Автоматическая Автоматизированная Ручная Смешанная (автоматическая + ручная)
Х3	Клапаны (по типу запирающего устройства)	X31 X32 X33	Шаровой кран Шиберный клапан Мембранный клапан
Х4	Привод запирающего механизма	X41 X42 X43 X44	Электромагнит Пневматический Ручной Комбинированный
Х5	Материал пневматического трубопровода	X51 X52 X53	Металлическая трубка Резиновый шланг Пластиковая трубка
Х6	Организация устройства управления	X61 X62 X63 X64 Х65	Релейная логика Логика микросхем На базе микроконтроллера ПЛК На базе ПК
Х7	Тип устройства отображения	X71 X72 X73 X74 X75 X76	Светодиодная индикация Графопостроитель Стрелочный индикатор Монитор ПК Терминал Смешанная
Х8	Пульт оператора	X81 X82 X83 X84	Кнопочный пульт Кнопочный пульт+сенсорный терминал ПК Вентили с ручным приводом
Х9	Тип датчика уровня	X91 X92 X93 Х94	Кондуктометрический Емкостной Лазерный Ультразвуковой
X10	Метод очистки атмосферы от паров кислоты	X101 X102 X103	Амиачный метод Нейтрализация Каталитической окисление
X11	Источник сжатого воздуха	X111 X112 X113	Заводская пневмосеть Компрессор Баллоны с сжатым воздухом

Итого общее количество вариантов структуры N определяется:

N =3*4*3*4*3*5*6*4*4*4*3 =2488320

Заключительный третий этап выбора и принятия решения после проведения системного анализа создания нового объекта путем её декомпозиции существенно облегчается, но всё же остается непростым из-за большого числа комбинаций N, являющихся вариантами искомого решения. Задача синтеза состоит в том, чтобы в каждом из n - блоков первого уровня Х декомпозиционной схемы выбрать по одной альтернативе Х , подбор которых должен сформировать “наилучший” вариант.

Простейшим при выборе наиболее эффективного решения является традиционный способ, используемый при обработке морфологических таблиц и предусматривающий последовательное сокращение (свертку) множества вариантов путем отбрасывания наименее перспективных, нереализуемых, наиболее дорогих и других, кажущихся неэффективными, альтернатив. Однако этот способ при увеличении количества признаков и реализующих их альтернатив соответственно до n > 5 m > 2 становиться весьма трудоемким, а выбранное решение, в значительной мере, - субъективным. Проблема состоит не только в выборе лучших альтернатив в отдельных блоках, но и в наилучшей их совместимости друг с другом.

Выбор целевых условий

Далее будет использован метод двухступенчатого ранжирования с присвоением оценок и при необходимости расчетом “весов” для выбираемых элементов, многократно апробированный при создании новых сложных объектов на уровне изобретений.

Предложенный метод предусматривает на первой ступени упорядочения выделение из n - блоков Х декомпозиционной схемы S - блоков, содержащих на уровне альтернатив Х наиболее важные характеристики, которые могут быть отражены в задании на создание объекта. Такие блоки Х обычно в количестве S = 2…4 несут S - целевых условий (по одному условию для каждого блока), представленных альтернативами, реализующими эти блоки.

Тогда остальные g - блоков (g = n - s) будут содержать на уровне альтернатив локальные решения типа условий - ограничения, а множество, формирующее вариант синтезируемого решения X, составят два подмножества Х_S и Х_G

	X = { XS, XG }, x Rn	(2.1)

Набор условий X_S, выбираемых на второй ступени упорядочения, определяет некоторую S - мерную цель синтеза:

	XS = { XSi }, i = 1…S; = 1… m	(2.2)

Выбранные локальные целевые условия X_Si, как правило, неодинаково влияют на эффективность синтезируемого решения и поэтому должны быть ранжированы по их значимости и оценены с помощью некоторого параметра _i, т.е.:

	1 2 … S	(2.3)

Значения оценочных параметров _i устанавливаются с соблюдением дополнительного условия, в качестве которого удобно использовать соотношение:

	1 + 2 + …+ S = 1	(2.4)

Для данного проекта набор целевых условий представлены в таблице 2.2.

Любой объект, процесс или проект нетехнической сферы деятельности человека характеризуется структурой и параметрами. Начальное представление о строении объекта несет его структура. С её формирования как облика проекта и начинается синтез. Проведя декомпозицию и выбрав в полученном поисковом пространстве Rⁿ некоторую S - мерную цель, необходимо решить вторую часть задачи синтеза - сформировать g - мерное “решение - ограничение”.

Таблица 2.2 - Целевые условия

Тип системы по глубине автоматизации - Смешанная (автоматическая + ручная)	XS1 = Х24: 1 = 0,4.
Система управления - на базе ПЛК	XS2 = Х64: 2 = 0,3.
Клапан (по типу запирающего механизма) - мембранный	XS3 = Х33: 3 = 0,3.

0,4 + 0,3 +0,3 = 1.

В итоге трехмерная цепь синтеза:

	XS = { X24, Х64 , X33}	(2.5)

Выбор условий ограничения

На основе метода ранжирования определяем условия ограничения:

	XG* = { XGj}, j = 1,…, g = n - s	(2.6)

где X_Gj - альтернатива, реализующая j-й блок декомпозиционной схемы и удовлетворяющая всем S - целевым условиям множества

X_S = { X_Si }.

Если при выборе целевых условий X_Si можно было использовать исходные данные, то при выборе условий ограничения X_Gj такие возможности уменьшились.

Оптимизация неформальных решений при нескольких целях традиционными методами неосуществима. В этом случае в качестве оптимизационного подхода целесообразно формировать паретовское множество альтернатив.

Итак, эффективное решение - ограничение X_G^*, в отличие от X_G (2.6) определяется паретовским множеством наиболее предпочтительных альтернатив при “мягкой” конкуренции всех ранее выбранных целевых условий X_Gj. Для решения этой задачи предлагаются следующие шаги:

1) Каждой альтернативе X_Gj в блоках X_Gj по каждому условию X_Si присваивается оценка _iGj , например, по трехступенчатой шкале в виде кодов (оценок): “ лучшая альтернатива (решение)” - код 1, “ альтернативы в блоке по отношению к данной локальной цели равнозначные” - код 2, “ в блоке уже есть лучшая альтернатива ” - код 3.

2) Каждой оценке в соответствие с её кодом присваивается численное значение таблица 2.3.

3)

Таблица 2.3 - Присвоение численного значения

Код	Значение iGj
1	iGj = i,
2	iGj = i / m,
3	iGj = 0,

где mi - количество альтернатив _Gj в блоке _iGj.

4) В каждом блоке X_Gj выбираются оценки _iGj с наилучшими численными значениями и соответствующие им альтернативы X_Gj по принципу:

max i_Gj X_G1, …, max _iGj X_Gg (7)

₁,…,_{S 1},…,_S

5) Формируется в виде множества X^* эффективное решение - наилучший вариант таблица 2.4.

Таблица 2.4 - Эффективное решение - наилучший вариант.

XSi	XGj
X24 Х64 X33	X11, X103, X76 , X82, X94 X42, X53, X111,

Результаты выбора решений-ограничений X_Gj целевыми условиями X_Si

Для нашего варианта эффективное решение - ограничение:

X_G^* = { X₁¹, X₁₀³, X₁₁¹, X₇⁶ , X₈², X₉⁴, X₄², X₅³, }

Формирование оптимальной по Парето структуры объекта

Согласно этому подходу, альтернатива считается оптимальной по Парето, если всякая другая альтернатива, являющаяся более предпочтительной для одних целей, в то же время будет менее предпочтительна для остальных целей. Принцип оптимальности по Парето далее утверждает, что никогда не следует выбирать альтернативу, которая не является Парето - оптимальной. Лишь при таком (паретовском) выборе можно увеличить степень удовлетворения некоторых целей, не ущемляя при этом других целей. Таким образом, альтернатива паретовского множества обладает тем свойством, что дальнейшее увеличение степени предпочтения для достижения одних целевых условий возможно только за счет других. Проблема состоит в том, чтобы выбрать наилучшие паретовские альтернативы во всех блоках g = n - S. И эта проблема всегда достаточно серьезна, однако сам подход, ведущий к общему выигрышу, уже является практически важным достижением в решении противоречивых интересов в любой сложной ситуации. К тому же можно утверждать, что оптимальность по Парето является категорией нравственной.

Оптимальный по Парето вариант формируется в виде множества:

	X* = { XSi ,XGj*}	(2.8)

В развернутом виде с указанием всех целевых условий X_Si и условий - ограничений Х_Gj множество (2.9) запишется так:

	X* = { XSi ,…, XSs , ХG1,…, ХGg}	(2.9)

Для данного случая эффективное решение будет иметь вид:

X* = { Х24, Х64, Х33,X11, X103, X111, X76 , X82, X94, X42, X53, }	(2.10)

2.1.2 Разработка подсистемы закачки серной кислоты на склад

Концентрированная серная кислота доставляется к складу в ж/д цистерне, объем которой может доходить до 75 м³, это факт обусловливает наличие двух емкостей хранения объемом по 40 м³ каждая. После прибытия цистерны к ней монтируются два трубопровода. По одному из них будет подаваться сжатый воздух, по другому перетекать кислота. Труба, по которой будет передаваться кислота должна достигать дна цистерны, только в этом случае будет возможно полностью слить кислоту из цистерны. Кислотный трубопровод соединяется с трубопроводом, идущим к одной из емкостей хранения посредством гибкого шланга.

В автоматическом режиме контроллер должен следить за процессом наполнения емкостей хранения кислоты. Для этого в каждой из емкостей необходимо установить датчики уровня. Один из датчиков - уровня штыревой, он будет использоваться для определения того, что кислота достигла верхнего уровня емкости. Второй датчик - ультразвуковой. Применение подобного датчика позволит точно определять уровень кислоты в емкости. На каждом из трубопроводов, ведущих от ж/д цистерны к емкостям хранения, необходимо установить по датчику, которые давали бы сигнал о наличии кислоты в соответствующем трубопроводе. Сигналы с датчиков уровня и с датчиков наличия кислоты в трубопроводе позволят следить за процессом наполнения емкостей хранения. Благодаря этому можно будет исключить такую ситуацию, когда заполненную до верхнего уровня емкость, по ошибке, вновь станут наполнять. Если процесс будет проходить в автоматическом режиме, то закачка остановится, если в ручном - контроллер должен подать аварийный сигнал.