1.2. Функциональные и принципиальные схемы автоматизации
1.2.1 Проектирование автоматических систем
Проект - это комплекс технической документации, необходимой для изготовления и пуска в эксплуатацию объекта, предназначенного для выпуска продукции с заданными показателями качества.
Каждый проект содержит раздел автоматизации технологических процессов. Проектная документация на систему автоматизации содержит графические материалы:
функциональную схему автоматизации;
принципиальную электрическую схему;
монтажную схему.
Функциональная схема определяет оснащение технологического процесса средствами автоматизации.
Принципиальная электрическая схема определяет состав элементов, входящих в узлы системы автоматизации, отражает связи между ними. Исходным материалом для разработки принципиальной электрической схемы является функциональная схема.
Функциональная схема содержит:
- упрощенное изображение объекта, подлежащего автоматизации;
- обозначение мест установки датчиков автоматических устройств;
- обозначение мест установки регулирующих и запорных рабочих органов автоматических устройств;
- обозначение технических средств автоматического и операторного управления с указанием места расположения ( на щите, на пульте, по месту);
- линии связи между отдельными элементами автоматического устройства.
Форма выполнения функциональной схемы автоматизации предусматривает размещение схемы технологического объекта в верхней части чертежа ( при этом объект управления изображается упрощенно, сходство по возможности сохраняется).
Технологический объект должен иметь соответствующие коммуникации подвода пара, воды и т. д.
Датчики должны быть обозначены непосредственно на технологическом объекте.
В нижней части чертежа наносят прямоугольники, в которых указывают места установки технических средств автоматизации, для этого в левой стороне каждого прямоугольника располагают надпись - “ Приборы по месту” или “Приборы на щите” и т. д.
Все технические средства автоматического управления изображаются в соответствии с ГОСТ 21.404.-85.
1.2.2 Функциональные схемы автоматизации типовых объектов пищевых производств
Для каждой отрасли пищевой промышленности характерны производства с индивидуальными технологическими процессами. Однако с точки зрения автоматизации в разных процессах можно выделить типовые технологические процессы:
- механические - перемещение, дозирование, гранулирование, просеивание, смешивание, пресование;
- гидродинамические - перемещение жидкостей и газов, фильтрование, разделение газовых и жидких неоднородных смесей, перемешивание жидких и пастообразных материалов;
- тепловые - нагревание, охлаждение, кондиционирование, выпаривание;
- массообменные - абсорбция и десорбция газов, экстракция, сушка, конденсация;
- химические - окисление, восстановление, нейтрализация;
- микробиологические - приготовление разных питательных сред, брожения.
Большинство пищевых производств представляет совокупность различных типовых процессов. Например, диффузионный процесс свеклосахарного производства включает массообменный и тепловой процессы. Процесс приготовления опары, теста в хлебопекарном производстве включает туповые механические и микробиологические процессы. Поэтому при рассмотрении технологического процесса, как объекта автоматизации необходимо установить, во-первых, к какому типовому процессу он относится, во-вторых, какова его аппаратурная реализация. В этой связи рассмотрим схемы автоматизации отдельных локальных объектов, входящих в состав типовых технологических процессов.
Схема автоматизации непрерывного дозирования материалов. Непрерывное дозирование производится бункерными и ленточными дозаторами. В общем случае последние представляют собой совокупность питателя и грузоприемного устройства - весового конвейера. Конструкции ленточных дозаторов делятся на одно- и двухагрегатные. В одноагрегатных дозаторах функции питателя и грузоприемного устройства совмещены, в двухагрегатных - разделены.
Производительность дозатора определяется: нагрузкой весового конвейера W, скоростью движения ленты конвейера V.
При автоматизации процесса дозирования на двухагрегатных ленточных дозаторах требуемая производительность F может быть достигнута путем регулирования нагрузки на ленте грузоприемной части конвейера, в одноагрегатных дозаторах производится регулирование и нагрузки, и скорости движения ленты весового конвейера.
Производительность одноагрегатного ленточного дозатора непрерывного действия (рисунок 7) зависит от скорости дозирования, которая изменяется в соответствии с частотой вращения ротора электродвигателя 1-6. При работе схемы датчик 1-1 частоты вращения привода электродвигателя передает сигнал на блок умножения 1-3. Одновременно, на этот же блок поступает сигнал от датчика 2-1 нагрузки на весовом участке конвейера. Блок умножения формирует сигнал, пропорциональный текущей производительности F дозатора. Этот сигнал поступает на регулятор 1-4. Регулирующее воздействие с него подается на привод электродвигателя 1-6, который изменяет скорость движения ленты конвейера II, чтобы обеспечить соответствие текущей и заданной производительностей дозатора. На щите размещены показывающие приборы 1-2 и 2-2 для контроля соответственно частоты вращения электродвигателя и нагрузки конвейера, а также самопишущий прибор 1-5, контролирующий текущую производительность дозатора. Ключом выбора режима SAI осуществляют переключение режима управления с автоматического на ручной.
Рисунок 7 - Схема автоматизации одноагрегатного ленточного дозатора
а) одноагрегатного; б) двухагрегатного
В двух агрегатном ленточном дозаторе (рисунок 7) количество материала, поступающего из бункера I на грузовой конвейер II, зависит от интенсивности работы питателя III. Сигнал от датчика 1-1 нагрузки конвейера поступает на регулятор 1-3. С него регулирующее воздействие подается на электродвигатель 1-4, обеспечивающий изменение производительности питателя до тех пор, пока текущее значение нагрузки не станет равным заданному. Для контроля нагрузки на щите размещен показывающий и самопишущий прибор 1-2. Пуск электродвигателя привода конвейера производится магнитным пускателем, управляемым кнопочной станцией SBI.
Работа электродвигателя сигнализируется лампой HLI.
Схема автоматизации процесса смешивания. Для смешивания двух и более потоков жидких или сыпучих компонентов применяются смесители периодического или непрерывного действия. Смесители снабжаются мешалками для ускорения смешивания и обеспечения равномерного состава смеси.
Возмущаюшие воздействия, вызывающие отклонения качества смеси от требуемого, связаны с изменениями расходов компонентов смеси, а также их свойств.
Регулирующими воздействиями являются изменения расхода подаваемых компонентов. Простейшая система автоматизации смесителя предусматривает стабилизацию расхода каждого компонента на заданном значении. Если расход одного из компонентов невозможно стабилизировать, то расходы других должны изменяться регулятором соотношения в заданной пропорции по отношению к нему в целях поддержания заданного состава смеси.
Рисунок 8 - Схема автоматизации двух агрегатного ленточного дозатора
В схеме на рисунке 8 расходы компонентов К1 и К2, формирующих заданную смесь, измеряются расходомерами 1-1 и 2-1. На щите размещены вторичные показывающие и самопишущие приборы 1-2, 2-2, результаты измерений с которых подаются на регулятор соотношения 1-3. Через панель дистанционного управления 1-4 (содержит ключ выбора режима ) регулятор воздействует на исполнительный механизм 1-5 регулирующего клапана компонента К2 в зависимости от расхода ведущего компонента К1.
В случае, когда возможно непрерывное измерение качества смеси, может быть использована АСР с коррекцией по качеству смеси. Качество смеси измеряется анализатором 3-1, контролируется на щите прибором 3-2 и передается на корректирующий регулятор 3-3, который изменяет заданное соотношение расходов на регуляторе 1-3. Схема автоматизации предусматривает также регулирование расхода компонента К1 в зависимости от уровня в смесителе. Уровень измеряется датчиком 4-1 и регулируется регулятором 4-2, который через панель дистанционного управления 4-3 воздействует на исполнительный механизм 4-4 регулирующего клапана компонента К1.
Схема автоматизации процесса сушки. Наилучшими схемами автоматического регулирования сушки являются такие, когда можно автоматически измерять влагосодержание высушиваемого материала на выходе из аппарата. В этом случае, когда невозможно получить информацию о значении влагосодержания на выходе используется косвенный метод, основанный на функциональной связи влагосодержания материала с параметрами: температурой и относительной влажностью сушильного агента.
В сушильных установках наиболее эффективным регулирующим воздействием является изменение притока тепла. Наряду с ним могут быть использованы изменения интенсивности замены отработанного воздуха свежим, скорости обтекания материала воздухом, скорости перемешивания материала в сушильном пространстве.
Регулирование теплового режима сушки осуществляется двумя автоматическими системами регулирования рисунок 2.3.
Первая АСР предназначена для поддержания на заданном уровне температуры теплоносителя в смесительной камере III воздействием на расход воздуха, поступающего в барабан II. Датчик 3-1 контролирует температуру в передней части барабана. Сигнал с датчика передается вторичному прибору 3-2 и регулятору 3-3, который управляет исполнительным механизмом 3-4 дроссельной заслонки на линии подачи воздуха к вентилятору YI. При этом одновременно изменяется падача воздуха, необходимого для сгорания газа, а также воздуха, поступающего в смесительную камеру.
Рисунок 9 - Схема автоматизации барабанной сушки
Вторая АСР поддерживает тепловой режим сушки изменением подачи газа в топку IY в зависимости от температуры внутри барабана II в таком его сечении, где можно судить о процессе сушки в аппарате. Сигнал от датчика 2-1 передается на щит вторичному прибору 2-2. Процесс регулирования осуществляется следующим образом. Если подача сырья или его влажность возрастают, то температура теплоносителя внутри барабана снижается и регулятор 2-3 увеличивает подачу газа ( исполнительный механизм 2-4 ). Это повышает температуру теплоносителя, в результате чего регулятор 3-3 увеличивает расход воздуха, пока температура внутри барабана не примет заданное значение. Работа этих двух регуляторов взаимосвязана.
Схемой предусмотрена стабилизация давления газа перед топкой. В эту АСР входят датчик давления 4-1 - манометр с выходным преобразователем, вторичный прибор 4-2 и регулятор 4-3, управляющий механизмом 4-4 заслонки на линии подачи газа в форсунку Y. В схеме предусмотрена АСР разрежения в топке путем изменения производительности дымососа I. В нее входят датчик разрежения 1-1, вторичный прибор 1-2 и регулятор 1-3.
Автоматизация химико-технологических процессов. В настоящее время во многих отраслях пищевой промышленности используются реакторы непрерывного и периодического действия. В схеме автоматизации реактора непрерывного действия – рисунок 2.4 - одним из основных регулируемых параметров pH среды в аппарате.
Система регулирования pH включает датчик 4-1, самопишущий прибор 4-2, регулятор 4-3. Система может работать с двумя видами регулирующих воздействий, одно из которых - поток с кислотными свойствами, другое - с щелочными (исполнительные механизмы 4 - 6, 4-5).
Специфической задачей для непрерывного процесса является обеспечение заданной нагрузки. Ее можно решить регулированием расхода входного потока датчиком расхода 1-1, самопишущим регулирующим прибором 1-2, исполнительный механизм 1-3.
Рисунок 10 - Схема автоматизации реактора периодического действия
Уровень в реакторе регулируется изменением расхода выходного потока (датчик 3-1, самопишущий регулирующий прибор 3-2, исполнительный механизм 3-3 ). Возможен другой вариант, когда заданная нагрузка обеспечивается регулированием расхода выходного потока, а регулирование уровня - изменением расхода потока на входе в аппарат. Схемой предусмотрено также автоматическое поддержание температуры среды в аппарате изменением расхода теплового агента в рубашку ( датчик 2-1, самопишущий регулирующий прибор 2-2, исполнительный механизм 2-3 ).
Если в реакторах величина pH является функцией времени в АСР используется программный задатчик 4-4.