ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

* * *

Кафедра теории и автоматизации металлургических процессов и печей методические указания

по выполнению курсового проекта по дисциплине «Системы управления технологическими процессами и информационными технологиями» для студентов специальностей: «Технология бродильных производств и виноделие»

Владикавказ, 2012

УДК 664 (075.3):658.51

З-94

Составители: доц. Зурабов А.Т., доц. Болотаева И.И.

Рецензент: проф. Рутковский А.Л.

Методические указания являются руководством к курсовому проекту по дисциплине «Системы управления технологическими процессами и информационными технологиями», читаемой для специальностей: 260204.65 «Технология бродильных производств и виноделие».

Редактор:

Компьютерная верстка:

Заказ Тираж 60 экз., объем ____ п.л. Цена договорная. Издательство Терек. Подразделение оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ), Владикавказ,

ул. Николаева, 44

1. Цель курсового проекта

Внедрение систем управления технологическими процессами в различные отрасли пищевой промышленности требует от инженеров технологических специальностей знаний принципов построение систем автоматического контроля и управления на базе современных технических средств автоматизации.

Целью курсового проекта является закрепление студентом знаний по дисциплине «Системы управления технологическими процессами и информационными технологиями», полученных в процессе изучения теоретического материала и выполнения лабораторных работ.

В ходе разработки курсового проекта студент должен научиться выбрать и обосновать необходимость контроля и управления основных параметров, определяющих эффективное ведение технологического процесса, методы контроля технологических параметров, структуры систем контроля и управления, технические средства контроля и регулирования (датчики, вторичные приборы, регуляторы, исполнительные механизмы и т.д.).

Студенты должны изучить на конкретном примере методику выбора различных преобразователей, датчиков, измерительных приборов, регуляторов, вспомогательной аппаратуры, необходимых для реализации вспомогательных систем контроля и управления технологическими процессами.

Студенты должны знать, что важнейшим условием автоматизации технологического процесса является определение его экономической целесообразности. Это проявляется в снижении себестоимости продукции, повышении производительности труда, сокращении числа обслуживающего персонала, улучшений условий труда, повышении эффективности производства и конкурентоспособности выпускаемой продукции и.т.п., что находит отражение в сроках окупаемости капитальных затрат на автоматизацию технологического процесса.

2. Состав и содержание курсового проекта

2.1 Курсовой проект состоит из двух частей:

- пояснительной записки на 15-25 страницах (формат А4);

-графической части на листе ватмана (формат А1), содержащей схему автоматизации.

2.2 Пояснительная записка к курсовому проекту должна содержать:

- титульный лист;

- задание на курсовой проект;

- содержание;

- основную часть в соответствии с утвержденным заданием на курсовой проект.

2.3 Титульный лист пояснительной записки к курсовому проекту составляется по установленной в СКГМИ (ГТУ) форме, подписывается студентом и руководителем.

2.4 Задание на курсовой проект выдается руководителем курсового проекта по установленной в СКГМИ (ГТУ) форме. В задании указывается тема курсового проекта, срок представления проекта к защите, исходные данные для проектирования, содержание пояснительной записки и перечень графического материала.

Задание подписывается руководителем и студентом.

2.5 Содержание отражает полный состав пояснительной записки и состоит из следующих разделов основной части с указанием номера страниц их начала:

- введение;

- описание технологического процесса как объекта управления;

- выбор и обоснование параметров контроля и управления;

- выбор и обоснование технических средств контроля и управления;

- разработка и описание схемы автоматизации;

- заключение;

- список использованных литературных источников;

- приложения (по необходимости).

2.5.1. В разделе «Введение» рассматривается современное состояние технологии и автоматизации конкретного процесса в соответствии с заданием, роль и технико-экономическое и социальное значение внедрения автоматизации. Отмечается уровень развития средств контроля и управления, позволяющий выбрать наиболее рациональную структуру системы управления.

2.5.2. В разделе «Описание технологического процесса как объекта управления» приводится анализ объекта управления.

Объекты управления являются составной частью систем автоматического управления, от свойств которых зависят свойства и характеристики системы, так же объекты управления являются неизменяемой частью системы, т.к. их характеристики определяются технологическими и конструктивными особенностями конкретного агрегата.

Поскольку пищевая промышленность объединяет большое разнообразие технологических процессов и используемого оборудования, которые можно рассматривать как набор последовательных технологических операций, связанных с подготовкой сырья, непосредственной его обработкой и получением промпродуктов и готовой продукции, то на стадии проектирования систем автоматизации производственных процессов технологические объекты управления требуют тщательного анализа. При этом анализ должен быть системным, предполагающим исследование технологического процесса с точки зрения технического оснащения и технологии, качества сырья и готовой продукции, технико-экономических показателей, организации управления производством и т.д.

В процессе анализа объекта управления необходимо изложить цель конкретного производства, теоретические основы с физико-химическими превращениями технологических процессов, привести аппаратурно-технологическую схему на формате А4 (пример представлен в Приложение 1) с ее описанием и выделить основные особенности автоматизируемого объекта управления. Описание технологического процесса должно содержать технологическое оборудование с техническими характеристиками, линии связи между отдельными единицами технологического оборудования, с помощью которых технологическое оборудование объединяется в единый технологический комплекс, движение перерабатываемого сырья и т.д.

При рассмотрении процессов и агрегатов пищевой промышленности как объектов автоматического контроля и управления можно указать ряд особенностей, выделяющих их из общего ряда промышленных объектов контроля и управления и налагающих особые требования при создании систем автоматического управления, эти особенности состоят в следующем:

а) Процессы пищевой промышленности реализуются в агрегатах как непрерывного, так и дискретного (периодического) и непрерывно-дискретного действия в связи, с чем требования к автоматизации весьма разнообразны.

Непрерывные производственные процессы легче поддаются автоматизации, чем периодические. Непрерывные процессы характеризуются стационарными режимами при относительно небольших отклонениях контролируемых параметров и управляющих воздействий от некоторых номинальных значений, что упрощает автоматизацию управления ими.

Параметры периодических процессов претерпевают, как правило, значительно большее колебания по сравнению с непрерывными процессами, а управляющие воздействия могут варьироваться по абсолютной величине многократно.

Глубокие изменения контролируемых величин и управляющих воздействий в аппаратах периодического действия сопровождаются изменениями статических и динамических характеристик объектов во времени и усложняют синтез систем автоматического управления, т.к. регуляторы с постоянной структурой и настройками не могут обеспечить приемлемое качество регулирования при существенных изменениях характеристик объекта. Помимо этого, широкое варьирование параметров затрудняет выбор и работу измерительных приборов и регулирующих органов. В связи с изложенным предпочтение необходимо отдавать непрерывным процессам;

б) Большинство агрегатов пищевой промышленности являются объектами с распределенными параметрами; характерным для них является то, что обработка материала происходит в процессе его пространственного перемещения через зоны обработки. При этом на материал оказывает влияние не только воздействия, распределенные во времени, но и воздействия распределенные в пространстве, такие как тепловые, концентрационные и другие поля. Эти воздействия в общем случае являются функциями координат трехмерного пространства;

в) Физическая сложность, многофакторность процессов приводит к тому, что основные агрегаты пищевой промышленности являются многосвязными объектами, функционирование которых определяется рядом входных и выходных величин, испытывающих взаимные влияния;

г) Сложность основных объектов пищевой промышленности и наличие внешних и внутренних возмущений, обусловленных существенными колебаниями характеристик сырья и промпродуктов, дрейфом характеристик технологических агрегатов, приводит к тому, что объекты характеризуются большим числом контролируемых величин и управляющих воздействий;

д) Правильное представление об особенностях объекта автоматизации, его физической и динамической структуре является необходимым условием создания рациональной и эффективной системы автоматического управления.

2.5.3. В разделе «Выбор и обоснование параметров контроля и управления» на основе анализа проектируемого технологического процесса с учетом его особенностей выбирают технологические параметры (например: температура, давление, уровень, расход, кислотность и т.п.), определяющие количественные и качественные показатели процесса, выявляют взаимосвязи между ними, обосновывают необходимость контроля, регулирования, сигнализации и других функциональных требований для каждого параметра.

При этом необходимо уточнить следующие данные:

а) место установки чувствительного элемента первичного преобразователя;

б) измеряемая среда и ее характеристика;

в) рабочее значение параметра и необходимая точность измерения;

г) необходимость местного или дистанционного контроля, регистрации, сигнализации и т.д.;

д) особые условия (взрыво- или пожароопасность, агрессивная окружающая среда, санитарно-гигиенические требования и т.д.).

По специальной литературе изучают существующие методы измерения, принципы и схемы построения систем автоматического регулирования, применяемые для контроля и регулирования выбранного параметра.

Проводят классификацию выбранных переменных, разделив их на следующие группы:

а) входные независимые переменные, к которым относятся управляемые (регулирующие воздействия) и неуправляемые величины (возмущающие воздействия);

б) параметры состояний или режимные параметры;

в) выходные зависимые величины, характеризующие результат проведения процесса.

В соответствии с проводимой классификацией строят структурную схему параметров процесса, например структурная схема процесса ректификации (рис. 1).

Рис.1.Структурная схема параметров процесса ректификации

Совокупность параметров, определяющих текущие состояния объекта управления, сводят в таблицу, например параметры процесса ректификации (таблица 1).

Таблица 1.

Характеристики параметров процесса ректификации

№ п.п	Наименование пара­метров	Условное обозначение	Единица измерения	Предел измере­ния параметров		Способ контроля
				min	max
1 Бражная колонна
1.1	Температура верха	Твб	0С	95	99	А
1.2	Давление низа	Рнб	кПа	115	118	А
1.3	Температура отходящей воды дефлегматора	Тот.в	0С	60	65	А
1.4	Расход бражки	Fб	дал/час			А
1.5	Расход барды	Fбд	дал/час
2 Эпюрационная колонна
2.1	Температура низа	Тн.э	0С	87	89	А
2.2	Давление низа	Рн.э	кПа	116	118	А
2.3	Давление верха	Рв.э	кПа	101	103	А
3 Ректификационная колонна
3.1	Температура низа	Тн.	0С	105	106	А
3.2	Расход спирта ректификата	Fc.р.	м3/ч
3.3	Давление низа	Рн.р	кПа	123	125	А
3.4	Давление верха	Рв.р	кПа	103	105	А
3.5	Расход пара	Fп	м3/ч
3.6	Расход холодной воды	Fх.в.	м3/ч
3.7	Температура спирта-ректификата	Тср	0С

2.5.4. В разделе «Выбор и обоснование технических средств контроля и регулирования» выбираются технические средства для автоматизации технологического процесса (первичные преобразователи-датчики; вторичные показывающие, регистрирующие и регулирующие приборы, вспомогательные устройства управления: кнопки, переключатели, задатчики; коммутирующие и контактно-силовые устройства: реле, магнитные пускатели, контакторы и т.д.) выбираются, в основном, из типовой аппаратуры, выпускаемой отечественной приборостроительной промышленностью, отвечающей предъявляемым требованиям, техническим характеристикам и условиям эксплуатации. Использование специально разработанных средств измерений допустимо в тех случаях, когда применение серийных средств измерений невозможно по условиям эксплуатации, либо специальным требованиям.

Обоснование выбора типа средств контроля и регулирования проводится на основе анализа следующих факторов:

а) характеристика контролируемой среды по основным физико-химическим параметрам и свойствам (температура, давление, вязкость, кислотность, агрессивность, реакция среды и т.д.);

б) характеристики окружающей среды (температура, влажность, взрыво- и пожароопасность и т.д.);

в) требуемой удаленности от технологического объекта управления;

г) метрологических характеристик средств измерений (точность и диапазон измерения, чувствительность, надежность, быстродействие и т.п.);

д) функциональных возможностей средств контроля и регулирования;

е) конструктивных особенностей средств контроля и регулирования.

В схемах автоматического контроля и управления следует применять однотипные средства контроля и регулирования. Следует применять простые, дешевые и надежные средства автоматизации.

Все важнейшие технологические показатели процесса должны контролироваться самопишущими средствами измерений, которые одновременно являются и показывающими.

При выборе диапазона шкалы средства измерений, необходимо обратить внимание на то, чтобы он охватывал все рабочие значения измеряемой величины.

При контроле сложных процессов с большим количеством точек измерения следует применять многоточечные приборы с диапазоном измерения, охватывающим значения параметров во всех измеряемых точках. Выбор средств контроля и регулирования следует осуществлять по новейшей тематической литературе, журналам, справочным материалам, каталогам и другим справочным документам. Ряд технических средств контроля и регулирования представлены в таблицах Приложения 2 (таблица 2П-1 «Датчики температуры», таблица 2П-2 «Датчики давления», таблица 2П-3 «Расходомеры, счетчики, весы», таблица 2П-4 «Диафрагмы для расходомеров», таблица 2П-5 «Уровнемеры», таблица 2П-6 «Промышленные стационарные pH-метры», таблица 2П-7 «Бумажные регистраторы (самописцы)», таблица 2П-8 «Регистраторы видеографические (безбумажные)», таблица 2П-9 «Блоки ручного управления», таблица 2П-10 «Пускатели»).

При выборе средств автоматизации должно быть уделено особое внимание приборам анализа состава и свойств материальных потоков, контролю основных технологических параметров, определяющих течение процесса, а так же таких параметров, как расход сырья и материалов, учет готовой продукции, топлива, тепла, воды, пара и т.п.

2.5.5. Раздел «Разработка и описание схемы автоматизации» включает разработку локальной системы автоматики, характеризующейся наличием отдельных автоматических систем контроля, регулирования, стабилизации, блокировки, защиты от аварийных ситуаций и т. п.

Основной частью проекта является схема автоматизации технологического процесса. Она определяет структуру автоматического контроля и управления, а так же уровень автоматизации объекта. В основе разработки схемы автоматизации находится технологический процесс, установка, агрегат и т. п.

Схему автоматизации выполняют в соответствии с ГОСТ 21.404-85 и ГОСТ 21.408-93 развернутым способом, при котором на схеме изображают состав и место расположения технических средств автоматизации каждого контура контроля и регулирования. Условные обозначения приборов и средств автоматизации включают графические, буквенные и цифровые обозначения приведены в таблицах 2, 3, 4, 5.

Графические обозначения приборов, средств автоматизации, лини связи приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Графические обозначения приборов, средств автоматизации, лини связи

Наименование	Обозначение
1	2
Прибор, устанавливаемый вне щита (по месту) а) основное обозначение б) допускаемое обозначение
Прибор, устанавливаемый на щите а) основное обозначение б) допускаемое обозначение
Исполнительный механизм. Общее обозначение.

продолжение Таблицы 2.

1		2
Исполнительный механизм, который при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала: а) открывает регулирующий орган б) закрывает регулирующий орган в) оставляет регулирующий орган в неизменном положении
Исполнительный механизм с дополнительным ручным приводом Примечание. Обозначение может применяться с любым из дополнительных знаков, характеризующих положение регулирующего органа при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала
Линия связи. Общее обозначение.
Пересечение линий связи без соединения друг с другом
Пересечение линий связи с соединением друг с другом

Отборное устройство для всех постоянно подключённых приборов изображают сплошной тонкой линией, соединяющей технологический трубопровод или аппарат с прибором (рис. 3). При необходимости указания конкретного места расположения отборного устройства (внутри контура технологического аппарата) его обозначают кружком диаметром 2мм (рис. 4).

Рис. 3 Рис. 4

Основные буквенные обозначения измеряемых величин и функциональных признаков приборов приведены в таблице 3. Дополнительные буквенные обозначения, применяемые для указания дополнительных функциональных признаков приборов, преобразователей сигналов и вычислительных устройств, приведены в таблицах 4 и 5.

Таблица 3.

Основные буквенные обозначения на схеме автоматизации

Обоз-ние	Наименование		Функциональный признак прибора
	Основные обозна-чения измеряемой величины	Дополнительное обозна-чение, уточняющее измеряемую величину	Отображение информации	Формирование выходного сигнала	Дополнительное значение
1	2	3	4	5	6
A	+	-	Сигнализация	-	-
В	+	-	-	-	-
С	+	-	-	Автоматическое регулирование, управление	-
D	Плотность	Разность, перепад	-	-	-
E	Электрическая величина	-	+	-	-
F	Расход	Соотношение, доля	-	-	-
G	Размер, положение, перемещение	-	+	-	-
Н	Ручное воздействие	-	-	-	Верхний предел измеряемой величины
I	+	-	Показание	-	-
J	+	Автоматическое переключение, обегание	-	-	-
K	Время, временная программа	-	-	+	-
L	Уровень	-	-	-	Нижний предел измеряемой величины
М	Влажность	-	-	-	-
N	+	-	-	-	-
О	+	-	-	-	-
Р	Давление, вакуум	-	-	-	-
Q	Величина, характеризующая качество: состав, концентрация и т.д.	Интегрирование, суммирование по времени	-	+	-
R	Радиоактивность	-	Регистрация	-	-
S	Скорость, частота	-	-	Включение, отключение, переключение, блокировка	-
Т	Температура	-	-	+	-
U	Несколько разноро-дных измеряемых величин	-	-	-	-
V	Вязкость	-	+	-	-
W	Масса	-	-	-	-
X	Нерекомендуемая резервная буква	-	-	-	-
Y	+	-	-	+	-
Z	+	-	-	+	-

Таблица 4.

Дополнительные буквенные обозначения, отражающие функциональные признаки приборов

Наименование	Обозн-ние	Назначение
Чувствительный элемент	Е	Устройства, выполняющие первичное преобразование: преобразователи термоэлектрические, термопреобразователи сопротивления, датчики пирометров, сужающие устройства расходомеров и т.д.
Дистанционная передача	Т	Приборы безшкальные с дистанционной передачей сигнала: манометры, дифманометры, манометрические термометры
Станция управления	К	Приборы, имеющие переключатель для выбора вида управления и устройство для дистанционного управления
Преобразование, вычислительные функции	Y	Для построения обозначений преобразователей сигналов и вычислительных устройств

Дополнительные буквенные обозначения, применяемые для построения преобразователей сигналов, вычислительных устройств приводятся в таблице 5.

Таблица 5.

Дополнительные буквенные обозначения

Наименование	Обозначение
Род сигнала: электрический пневматический гидравлический	Е Р G
Виды форм сигнала: аналоговый дискретный	А D
Операции, выполняемые вычислительным устройством: суммирование умножение сигнала на постоянный коэффициент k перемножение двух и более сигналов деление сигналов друг на друга возведение величины сигнала f в степень n извлечение из величины сигнала корня степени n логарифмирование дифференцирование интегрирование изменение знака сигнала ограничение верхнего значения сигнала ограничение нижнего значения сигнала	k : fn lg dx/dt x(-1) max min
Связь с вычислительным комплексом: передача сигнала на ЭВМ вывод информации с ЭВМ	В1 В0

При разработке схемы автоматизации (Приложение 6) рекомендуется следующая последовательность выполнения работы:

а) в верхней части листа ватмана изображается аппаратно-технологическая схема процесса, установки, агрегата с органами управления и т. п. Изображения объектов должны приблизительно соответствовать их конфигурации или принятым условным обозначениям, масштаб не соблюдают. В верхней правой части располагаются таблицы с расшифровкой обозначений агрегатов и содержимого трубопроводов (потоков). Некоторые условные обозначения трубопроводов для жидкостей и газов приведены в Приложении 5;

б) в нижней части ватмана изображаются прямоугольники, условно обозначающие места для установки измерительной аппаратуры, например «Приборы по месту», «Приборы на щите» и т. д.

П риборы, встраиваемые в технологические коммуникации, показывают в разрыве линий изображения коммуникаций в соответствии с рисунком 5, устанавливаемые на технологическом оборудовании (с помощью закладных устройств) показывают рядом – в соответствии с рисунком 6.

Остальные технические средства автоматизации показывают условными графическими обозначениями (Таблица 6) в прямоугольниках, расположенных в нижней части схемы. Каждому прямоугольнику присваивают заголовки, соответствующие показанным в них технологическим средствам.

Размеры условных графических обозначений приборов и средств автоматизации в схемах приведены в таблице 6.

Таблица 6.

Размеры условных обозначений

Наименование	Обозначение
Прибор: а) основное обозначение б) Допускаемое обозначение	15
Исполнительный механизм

Условные графические обозначения на схемах выполняют сплошной толстой основной линией, а горизонтальную разделительную черту внутри графического обозначения и линии связи – сплошной тонкой линией. Шрифт буквенных обозначений принимают равным 2.5 мм.