литература / Функциональные схемы автоматизации / 2013 [Вильнина] Разработка системы управления технологическим процессом

2

Введение

На современном этапе уровень развития химической промышленности в основном определяется степенью автоматизации производства. Система автоматического контроля, включающая в себя контрольно-измерительные приборы, позволяет оценивать состояние химико-технологического процесса, а с помощью введения системы автоматического управления повысить производительность труда и качество продукции. Так же автоматизация химического производства позволяет улучшить санитарногигиенические условия работы, повысить социальную эффективность труда, уменьшить отрицательное воздействие на окружающую среду.

В свою очередь при разработке автоматизированной системы управления именно специалист в области химической технологии (инженер химик-технолог) определяет постановку задачи для инженера по автоматике, определяет параметры процесса, которые необходимо поддерживать на нужном уровне, а также допуски на возможные отклонения в процессе управления, указывает возможные каналы управления. Однако грамотная постановка задачи на управление невозможна без необходимых знаний инженера химика-технолога о структурах и функциях систем управления, основах их анализа и синтеза.

Основными целями курсового проектирования (как формы самостоятельной работы студентов) являются:

•закрепление и расширение теоретических знаний, полученных студентами при изучении курса "Системы управления химико-технологическими процессами".

•выработка навыков инженерного подхода к выбору автоматического регулятора и определению его параметров настройки.

•развитие творческого подхода к проектированию систем автоматизации технологических процессов.

Заданием предусматривается разработка функциональной схемы автоматизации какого-либо технологического процесса, изучаемого в рамках специальностей 240600

и240603, на уровне комплексной автоматизации и разработка структурной схемы контура автоматического регулирования основного технологического параметра при условии использования только серийно выпускаемых приборов и средств автоматизации. Это обязывает студента изучать учебную и научно-техническую литературу, пользоваться стандартами и другими нормативными документами, периодическими изданиями и другими источниками, содержащими информацию о современных достижениях науки и техники в данной отрасли.

Важной частью задания является технически обоснованный выбор приборов и средств автоматизации, необходимых для построения функциональной схемы автоматизации и структурной схемы контура управления заданным технологическим параметром.

Данным проектом завершается обучение студентов методам, приборам и средствам автоматического контроля и регулирования технологических процессов.

3

1. Общие сведения

Задание на проектирование студенту выдается на одном из первых занятий по расписанию, но обычно после получения задания на курсовой проект по специальной технологии. Совмещение заданий на курсовой проект по автоматике в части объекта управления с курсовым проектом по специальной технологии позволяет студентам более осознанно разрабатывать систему управления. Тема задания, исходные данные о свойствах объекта управления и требования к качеству регулирования формулируются с учетом автоматизируемого технологического процесса.

Рекомендуется придерживаться последовательности этапов выполнения курсового проекта, указанной в перечне разделов основной части пояснительной записки (п. 2). График выполнения проекта приведен в рейтинг-плане (таблица 1).

Консультации по проекту проводятся один раз в неделю по расписанию. Посещение консультаций по расписанию учебных занятий и работа на них в аудитории являются обязательными для всех студентов. Неявка студента на аудиторное занятие по неуважительной причине оценивается нулевым баллом.

Пояснительная записка, представляемая на проверку руководителю проектирования, должна содержать все необходимые для ее оценки графические материалы без демонстрационных листов. После проверки записка возвращается для устранения отмеченных недостатков, изготовления демонстрационных материалов и подготовки студента к защите.

Регламент проведения защиты: доклад студента – не более 10 минут, ответы на вопросы – в пределах 10 минут. Студентом защищаются разработанные им функциональная и структурная схемы. После доклада студенту могут быть предложены по представленным проектным документам дополнительные вопросы по программе дисциплины "Системы управления химико-технологическими процессами".

Результатом защиты является дифференцированный зачет (оценка). Она определяется навыками студента в области умственного труда: способностью применять целесообразно знания, приобретенные при изучении курса, глубиной анализа самостоятельно изученного материала, аргументированностью выводов, технической грамотностью при оформлении проектных документов.

4

1.1. Выбор темы курсового проекта

Тема курсового проекта определяется, с одной стороны, аппаратурным оформлением и видом технологического процесса для которого требуется разработать функциональную схему автоматизации, а с другой стороны – технологическим параметром, для автоматического управления которым требуется построить одноконтурную локальную систему автоматического регулирования.

Тематика курсового проекта по автоматике может быть предложена сотрудником выпускающей кафедры, под руководством которого студент выполняет научноисследовательскую или учебно-исследовательскую работы, либо руководителем курсового проектирования по спецтехнологии гидрометаллургического производства, но задание выдается только руководителем проекта по автоматике.

Исходные данные о свойствах объекта регулирования и заданные показатели качества управления по предложению студента могут корректироваться, уточняться и дополняться, если, по мнению, руководителя, это будет способствовать созданию более совершенной системы автоматического контроля и регулирования и позволит студенту более полно проявить свои способности к творчеству. Творческий подход студента к решению поставленной задачи всемерно поощряется руководителем проектирования, но в каждом случае студент обязан самостоятельно и обоснованно выбрать наилучшее, по его мнению, техническое решение, а руководитель лишь направляет поиски студента. Образец бланка задания на курсовой проект приведен в Приложении

1.

1.2. Требования к оформлению и содержанию проекта

Проект представляется в виде двух частей – графической и текстовой. Графические материалы состоят из одного листа форматом А3 (не менее), на котором представлена функциональная схема автоматизации технологического процесса.

Текстовая часть представляет собой пояснительную записку объемом не более 1520 листов рукописного текста. Правила оформления пояснительной записки изложены в стандарте ТПУ СТП ТПУ 2.5.01-99 "РАБОТЫ ВЫПУСКНЫЕ КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ, ПРОЕКТЫ И РАБОТЫ КУРСОВЫЕ. Общие требования и правила оформления". Текст стандарта можно найти на интернет-сайте ТПУ или в компьютерной сети ФТФ по адресу L:\STUDY\СУХТП\Курсовой проект).

Пояснительная записка должна содержать (согласно СТП ТПУ 2.5.01-99):

•титульный лист;

•задание;

•реферат;

•содержание;

•введение (актуальность темы, преимущества автоматизации);

•основная часть;

•заключение;

•список использованных источников;

•приложения.

5

На титульном листе указываются, кроме автора проекта и руководителя, технический консультант – сотрудник выпускающей кафедры, под руководством которого выполняется работа, послужившая темой для данного проекта.

Стиль изложения материала должен быть строгим, лаконичным, предельно ясным, не допускающим произвольного и разноречивого толкования высказывания и утверждений. Наименование разделов и подразделов должно быть кратким и соответствовать содержанию. Перенос слов в заголовках не допускается. В тексте не допускаются грамматические и синтаксические ошибки, а также сокращенное написание слов за исключением разрешенных стандартом ОСТ 45.180-2000.

Ссылка на литературный источник, из которого заимствована формула, проставляется по тексту в конце предложения, непосредственно перед написанием формулы. Все входящие в формулу символы и коэффициенты разъясняются непосредственно под формулой.

Материалы, заимствованные из литературных источников, необходимо зафиксировать ссылкой на них. Ссылки указывают по тексту в квадратных скобках: нумерация проводится арабскими цифрами и соответствует номеру источника в списке использованных источников. В ссылке рекомендуется указывать страницы, где находится заимствованный материал, например: [20, стр.15].

Поясняющие иллюстрации (графики, рисунки) выполняются в произвольном масштабе с соблюдением правил черчения, стандартов их выполнения и помещаются ближе к соответствующему тексту или в конце записки в виде приложения. Ссылки на иллюстрации, приведенные в технической или учебной литературе, в записке не допускаются. Необходимые иллюстрации выполняются в виде копии и размещают в записке.

Основная часть курсового проекта посвящена составлению функциональной схемы автоматизации технологического процесса, структурной схемы контура регулирования основного технологического параметра и расчету параметров регулятора этого контура.

Разделы основной части:

описание технологического процесса и его аппаратурного оформления, достаточное для обоснованного выбора элементов и средств автоматики;

разработка функциональной схемы автоматизации, для чего необходимо разработать:

 перечни технологических параметров, подлежащих контролю (температура, расход, уровень, концентрация и др.), регулированию, с указанием номинальных значений, что необходимо для выбора средств технологических измерений;

 перечень событий, подлежащих сигнализации, исходя из требований безопасного ведения технологического процесса с учетом таких факторов как: регламент, инструкций по пуску, ведению и останову процесса, признаков аварийных ситуаций [1];

 перечень приборов, выбранных для измерения технологических переменных;  перечень задач (с описанием), решаемых с использованием ЭВМ для управле-

ния процессом, режимы работы ЭВМ в тех или иных контурах управления, управляющие функции, предназначенные для реализации на ЭВМ;

 описание функциональной схемы автоматизации, включающее действия опе- ратора-технолога при пуске, нормальном режиме ведения технологического процесса

6

исмене производительности;

разработка структурной схемы контура регулирования основного технологического параметра;

 определение параметров настройки регулятора и определение показателей качества регулирования;

 выбор датчика регулируемой величины;  выбор исполнительного механизма и регулирующего органа;  описание структурной схемы.

2. Разработка функциональной схемы автоматизации

Разработку функциональной схемы автоматизации процесса начинают с всестороннего анализа объекта управления. В ходе анализа должно быть установлено назначение, устройство, принцип работы автоматизируемого объекта, определяются его входные, режимные и выходные параметры. Особое внимание необходимо уделить выявлению возмущающих воздействий и помех, чтобы устранить их действие, и возможных управляющих воздействий, изменением которых можно регулировать выходные и режимные параметры.

Функциональная схема автоматизации разрабатывается на уровне частичной или комплексной автоматизации объекта. Для повышения надежности системы управления предусматривается возможность ведения технологического процесса как в режиме автоматического, так и ручного дистанционного управления и переключение режимов управления. Управление объектом должно быть централизованным и осуществляться из операторских пунктов. На местных щитах контроля размешаются контрольноизмерительные и управляющие приборы, необходимые в период отладки и запуска технологического процесса. На щитах и пультах операторских пунктов размещают необходимые контрольно-измерительные приборы, по которым оператор наблюдает за ходом технологического процесса, автоматические регуляторы, изменением уставок которых оператор управляет технологическим процессом, а также пускорегулирующие приборы дистанционного управления (переключатели, кнопки управления, ручные задатчики и т.д.).

Функциональную схему выполняют в виде чертежа, на котором схематически, условными изображениями (согласно ГОСТ 21.404-85) показывают технологическое оборудование, коммуникации, органы управления, приборы и средства автоматизации и связи между ними. Схему необходимо проработать с такой степенью детализации, которая дает не только полное представление о принятых решениях по автоматизации, но и обеспечивает составление заявочных ведомостей на все необходимые приборы и средства автоматизации.

2.1. Общие принципы выполнения функциональных схем автоматизации

При разработке функциональных схем автоматизации необходимо руководствоваться следующими общими принципами [2]:

1. Система автоматизации должна строиться на базе серийно выпускаемых средств автоматизации. При этом необходимо стремиться к применению однотипных

7

средств автоматизации и предпочтительно унифицированных систем, характеризуемых простотой сочетания, взаимозаменяемостью и удобством компоновки.

2.В качестве локальных средств сбора и накопления первичной информации (автоматических датчиков), вторичных приборов, регулирующих органов и исполнительных устройств следует использовать исключительно приборы и средства автоматизации Государственной системы промышленных приборов (ГСП).

3.Выбор средств автоматизации, использующих электрическую или пневматическую энергию, определяются условиями пожаро- и взрывоопасности объекта автоматизации, агрессивностью перерабатываемых веществ и окружающей среды, требованиями к быстродействию, дальностью передачи информационных и управляющих сигналов т. д.

4.Количество приборов, аппаратуры управления и сигнализации, устанавливаемой на оперативных щитах и пультах, ограничивается: избыток их усложняет эксплуатацию, отвлекает внимание операторов от наблюдения за основными приборами, определяющими ход технологического процесса; увеличивают стоимость установки, сроки монтажных и наладочных работ.

5.Средства автоматизации и приборы должны иметь класс точности, который определяется действительными требованиями автоматизируемой установки.

Отсутствие серийных приборов должно восполняться выдачей технических заданий на разработку новых средств автоматизации.

Важное место в разработке управляющей системы отводится выбору сигнализируемых событий и противоаварийных мероприятий. Сигнализации подлежат все параметры, изменение которых может привести к аварии или серьезному нарушению технологического режима, наиболее ответственные режимные параметры, показатели эффективности. Сигнализация подразделяется на предупредительную и аварийную, световую и звуковую.

После разработки функциональной схемы автоматизации, необходимо провести

ееполный анализ, описав работу оператора-технолога по управлению рассматриваемым технологическим процессом при пуске, номинальном режиме работы оборудования и изменении его производительности.

2.2.Выбор первичных преобразователей

При выборе первичных преобразователей и датчиков измеряемых величин необходимо руководствоваться следующими требованиями:

1.Условия в точке установки прибора должны соответствовать условиям его эксплуатации, указанным заводом-изготовителем.

2.Номинальное значение измеряемой величины должно лежать в последней трети шкалы прибора. При этом диапазон измерения прибора выбирается из стандартного ряда или из ряда, указанного заводом-изготовителем.

3.Прибор должен быть устойчив к повреждающим воздействиям измеряемой среды: абразивности, химической агрессивности и т.д.

4.Метрологические характеристики приборов должны обеспечить измерения

стребуемой для данного процесса точностью, т.е. выбор прибора по диапазону показаний и классу точности должен быть обоснован [1].

8

Не допускается применение разнообразных методов измерения одного и того же параметра, что может привести к расширению номенклатуры приборов и затруднению организации их ремонта, а так же создание резерва.

2.3. Изображение технологического оборудования и коммуникаций, приборов и средств автоматизации

Функциональная схема автоматизации должна развертываться слева направо. Технологические объекты изображает упрощенно, по контуру, но форма и пропорции отдельных частей должны соответствовать реальным прототипам. Если плоскостное изображение не отражает особенности устройства аппарата, то его вид приводят в аксонометрии или в разрезе. Схема вычерчивается без строгого соблюдения масштаба, но пропорции, соответствующие габаритам аппаратов, приборов должны выдерживаться. Допускается, но не рекомендуется, изображение объектов управления в виде прямоугольников. Возможны также графические обозначения аппаратов и машин, построенные по их функциональным признакам и обозначения, отражающие принцип действия машин и аппаратов. Каждый технологический аппарат выполняет в технологической цепочке свое функциональное назначение, соответствующее название аппарата или другого технологического оборудования вписываются в контуры их изображений или рядом, если их размеры недостаточны. Цифровые и цифробуквенные обозначения технологических аппаратов поясняются таблицей с перечнем оборудования, которая вычерчивается на свободном поле листа.

Правильно построенная схема равномерно заполняет все поле листа элементами технологического оборудования, приборами и средствами автоматизации с минимальным количеством пересечений и перегибов линий, обозначающих трубопроводы и соединительные линии.

Коммуникации жидкости, газа и пара изображает по ГОСТ 2.784-96. Цифровое обозначение среды трубопровода дополняется буквенными индексами, например: вода

– 1, вода горячая – 1Г, вода холодная – 1X [3]. Для облегчения чтения схем на обозначениях трубопроводов проставляют стрелки, указывающие направление движения вещества, приводят обозначение запорных устройств, имеющих принципиальное значение. Толщина линий, обозначающих трубопроводы, от 0,6 до 1,5мм, допускается использование цветных линий.

Условные графические обозначения выполняют по ГОСТ 21.404-85. Этим документом регламентированы буквенные обозначения основных измеряемых и регулируемых величин, а также функциональных признаков измерительных, регулирующих и преобразующих приборов и устройств. Размеры изображений ГОСТ 21.404-85 не устанавливает. В проектах размеры этих изображений рекомендуется брать соответствующие отраслевому стандарту ОСТ 36-27–77 «Обозначения условные в схемах автоматизации технологических процессов».

2.3.1. Изображение измерительных и преобразовательных приборов. Функциональное обозначение и функциональные признаки.

Согласно этим стандартам все местные измерительные и преобразовательные приборы, установленные на технологическом объекте изображаются на функциональ-

9

ных схемах автоматизации в виде окружности диаметром 10 мм, внутрь которой вписывают буквенное обозначение. Если приборы размещаются на щитах и пультах в центральных или местных операторных помещениях, то внутри окружности проводится горизонтальная линия, делящая окружность пополам. (рисунок 1).

Рисунок 1. а) первичный измерительный преобразователь (датчик) или прибор, устанавливаемый по месту (на технологическом трубопроводе, аппарате); б) прибор, устанавливаемый на щите, пульте.

Внутрь окружности вписываются (рисунок 2) [4]:

-в верхнюю часть – функциональное обозначение (обозначения контролируемых, сигнализируемых или регулируемых параметров, функциональные признаки прибора);

-в нижнюю – позиционное обозначение прибора.

Измеряемая Давление величина

Уточнение измеряемой Перепад

величины

Показание

Функциональные признаки Регистрация

прибора

Автоматическое

регулирование

1 2 3 4 5

P D I R C

5-3

Рисунок 2. Пример построения условного обозначения прибора для измерения, регистрации и регулирования перепада давлений.

Буквенные обозначения строятся на основе латинского алфавита и дает необходимые сведения о предусмотренных проектом средствах автоматизации: об измеряемой величине и функциях, выполняемых прибором по отображению измерительной информации, о преобразовании сигналов и формировании выходных воздействий [1]. Как видно из рисунка все обозначения прибора сводятся в три группы: 1-ая группа – функциональное обозначение измеряемой величины; 2-ая группа – уточнение измеряемой величины; 3-ая группа – функциональные признаки прибора (в эту группу может входить несколько буквенных обозначений). Так как уточнение измеряемой величины,

10