линия возврата от насосов Н-163/I,, Н-350/I,, Н-345/I, в емкости Е-162, Е-304, Е-343;

приём толуолсодержащей фракции от насоса Н-295 (И-3) в емкость Е-33/II;

- приём толуолсодержащей фракции из ёмкостей Е-14,16 (цех №1508, склад Т-10) в ёмкость Е-33/II;

Давление в емкостях Е-133/I, Е-33/II, Е-69а регулируется подачей азота в гидрозатвор Г-1. Регулятор давления - поз. 0848, клапан которого установлен на линии подачи азота в емкости Е-133/I, Е-33/II, Е-69 а.

Давление в емкости Е-351 регулируется подачей азота в гидрозатвор Г-2. Регулятор давления - поз. 0824, клапан которого установлен на линии подачи азота в емкость Е-351.

Сброс с контрольных ППК колонны К-143, емкости Е-133/I, емкости Е-33/II, подогревателя Т-356 осуществляется через ёмкость Е-58 на факел среднего давления.

Сброс с рабочих ППК колонны К-143, кипятильников Т-144/I,, осуществляется через ёмкость Е-59 на свечу.

Требования к качеству сырьевых и продуктовых потоков приводятся в таблице 1 Приложения 1.

Рис.1 Структурная схема установки выделения ароматических углеводородов С6-С8 из бензола сырого каменноугольного

1. Анализ поставленной задачи курсового проектирования (анализ технических характеристик объекта управления и требований предъявляемых к системе управления и техническим средствам автоматизации)

1.1 Анализ технических особенностей объекта управления, продуктов и материалов применяемых в производстве

Процесс выделения фракции ароматических углеводородов является непрерывным.

Колонна непрерывного действия состоят из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, назначение которой--обогащение поднимающихся паров легколетучего компонента. Питание колонны начальной смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью, а готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится.

Свойства продуктов и материалов

Бензол сырой каменноугольный:

Химические свойства

Бензол по составу относится к ненасыщенным углеводородам (гомологический ряд CnH2n-6), но в отличие от углеводородов ряда этилена C2H4 проявляет свойства, присущие ненасыщенным углеводородам (для них характерны реакции присоединения) только при жёстких условиях, а вот к реакциям замещения бензол более склонен. Такое «поведение» бензола объясняется его особым строением: нахождением всех связей и молекул на одной плоскости и наличием в структуре сопряжённого 6р-электронного облака. Современное представление об электронной природе связей в бензоле основывается на гипотезе Лайнуса Полинга, который предложил изображать молекулу бензола в виде шестиугольника с вписанной окружностью, подчёркивая тем самым отсутствие фиксированных двойных связей и наличие единого электронного облака, охватывающего все шесть атомов углерода цикла.

Для бензола характерны реакции замещения -- бензол реагирует с алкенами, хлоралканами, галогенами, азотной и серной кислотами. Реакции разрыва бензольного кольца проходят в жёстких условиях (температура, давление).

Взаимодействие с хлором в присутствии катализатора:

С6H6 + Cl2 -(FeCl3)> С6H5Cl + HCl образуется хлорбензол

Катализаторы содействуют созданию активной электрофильной частицы путём поляризации между атомами галогена.

Cl-Cl + FeCl3 > Cl?-[FeCl4]?+

С6H6 + Cl?--Cl?+ + FeCl3 > [С6H5Cl + FeCl4] > С6H5Cl + FeCl3 + HCl

В отсутствие катализатора при нагревании или освещении идёт радикальная реакция замещения.

С6H6 + 3Cl2 -(освещение)> C6H6Cl6 образуется хлорат

С6H6 + 3Cl2 -(освещение)> C6Cl6 + 3H2^ образуется гексахлорбензол

Взаимодействие с бромом (чистый):

С6H6 + Br2 -(FeBr3 или AlCl3)> С6H5Br + HBr образуется бромбензол

Взаимодействие с галогенопроизводными алканов (реакция Фриделя-Крафтса):

С6H6 + С2H5Cl -(AlCl3)> С6H5С2H5 + HCl образуется этилбензол

Нитрование. Бензол очень медленно реагирует с концентрированной азотной кислотой даже при сильном нагревании. Однако при действии так называемой нитрующей смеси (смесь концентрированных азотной и серной кислот) реакция нитрования проходит достаточно легко:

Сулъфирование. Реакция легко проходит под действием “дымящей” серной кислоты (олеума):

Гидрирование. Реакция присоединения водорода к аренам идет при нагревании и высоком давлении в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pt, Pd). Бензол превращается в циклогексан, а гомологи бензола -- в производные циклогексана:

Окисление кислородом воздуха. По устойчивости к действию окислителей бензол напоминает алканы. Только при сильном нагревании (400 °С) паров бензола с кислородом воздуха в присутствии катализатора V2О5 получается смесь малеиновой кислоты и ее ангидрида.

Физические свойства

Бесцветная жидкость со своеобразным резким запахом. Температура плавления = 5,5 °C, температура кипения = 80,1 °C, температура замерзания бензола +5,50 С, плотность = 0,879 г/смі, молекулярная масса = 78,11 г/моль, динамическая вязкость 0.6028*10-3 Па-с (25 °С), Поверхностное натяжение: 28.78 Дин/см (20 °С), теплоемкость С°р 19.52 кал/(град·моль) (25 °С).

Подобно всем углеводородам бензол горит и образует много копоти. С воздухом образует взрывоопасные смеси, хорошо смешивается с эфирами, бензином и другими органическими растворителями, с водой образует азеотропную смесь с температурой кипения 69,25 °C. Растворимость в воде 1,79 г/л (при 25 °C).

Электричекие свойства

Удельное электрическое сопротивление диэлектриков бензола: 15000000* 109 Ом · Метр;

Диэлектрическая проницаемость: 2.284 (20 °С);

Дипольный момент: 0;

Электропроводность (Ом-1): диэлектрик

Метилбензол

Химические свойства

Метилбензол вступает во все реакции электрофильного замещения, свойственные для бензола. Нитрирование, хлорирование толуола может производиться путём пропускания через толуол газообразного хлора в присутствии хлорида алюминия (реакция проводится в темноте). Хлорид алюминия играет при этом роль катализатора.

Сульфирование метилбензола концентрированой серной кислотой тоже приводит к образованию смеси 2- и 4-замещённого изомеров.

Механизм всех реакций электрофильного замещения подобен механизму сообветствующих реакций бензола. В этих реакциях 3-замещённые изомеры образуются в незначительных количествах и ими можно пренебречь.

Метильная группа в метилбензоле может вступать в определённые реакции, характерные для алканов, но также и в другие реакции, не характерные для алканов.

Подобно алканам, метильная группа может галогенироваться по радикальному механизму. Для осуществления этой реакции хлор продувают через кипящий метилбензол в присутствии солнечного света или источника ультрафиолетового излучения.

Бромирование метилбензола осуществляется при аналогичных условиях и приводит к образованию соответствующих бромозамещающенных соединений. Метильная боковая цепь в толуоле подвергается окислению даже такими сравнительно мягкими окислителями, как оксид марганца (IV).

Более сильные окислители, например перманганат калия, вызывают дальнейшее окисление.

Физические свойства

Внешний вид: бесцветная жидкость;

Формула: C7H8;

Молекулярная масса (в а.е.м.): 92,14;

Температура плавления (в °C): -95;

Температура кипения (в °C): 110,626;

Температурные константы смесей:

109,2 °C (температура кипения азеотропа, давление 1 атм) толуол 71,5% , хлорацетон 28,5%;

105,5 °C (температура кипения азеотропа, давление 1 атм) н-бутиловый спирт 27,5%, толуол 72,5%;

Октановое число = 115;

Порог восприятия запаха в воздухе (мг/л) = 0,002;

Плотность: 0,86694 (20°C, г/см3);

Показатель преломления (для D-линии натрия): 1,49693 (20°C);

Давление паров (в мм.рт.ст.): 14 (14,5°C);

Показатель диссоциации: pKa (1) = 35 (20 C, вода).

Электрические свойства

Электропроводность (Ом-1): 1.4 · 10-14

Диэлектрическая проницаемость: 2.379 (25 °С)

Дипольный момент: 0.39

Ксилол

Химические свойтсва

Ксилолы-типичные ароматич. углеводороды; легко алкилируются, хлорируются, сульфируются, нитруются; легкость замещения уменьшается в ряду: м-ксилол >о-ксилол >п-ксилол. Из ксилолов производят ряд важных пром. продуктов. Так, частичным окислением ксилолов (НNО3, Сr2О3 или КМnО4) синтезируют толуиловые кислоты, превращающиеся при окислит. декарбоксилировании в крезолы, окислением о-ксилола в паровой фазе при 450-600'С (катализатор V2О5 на SiO2) - фталевый ангидрид. Глубоким окислением о-, м- или п-ксилолов действием HNO3 или О2 воздуха в жидкой фазе при 100-300°С и 4 МПа (кат.-бромиды Мn или Со) получают соотв. фталевую, изофталсвую и тсрсфталевую к-ты. Нитрованием смеси ксилолов получают смесь изомерных диметилнитробензолов, восстановлением к-рой синтезируют ксилидины. Пиролизом n-ксилола при 800-1000 °С получают поли-л-ксилилен. Ксилолы конденсируются с СН2О, образуя полимеры с молекулярной массой менее 1000. Парофазным окислит. аммонолизом ксилолов в присут. катализатора при 370-510 °С и 0,035-0,21 МПа получают фталодинитрилы.

Физические свойства

Бесцветная жидкость с характерным запахом. Малорастворима в воде, хорошо растворяется в органических растворителях.

Температура плавления -- 25,2 °C (о-ксилол), ?47,8 °C (м-ксилол), 13,26 °C (п-ксилол).

Температура кипения 144,4 °C (о-ксилол), 139,1 °C (м-ксилол), 138,3 °C (п-ксилол).

Плотность -- 0,8802 г/смі (20 °C) (о-ксилол), 0,8642 г/смі (м-ксилол), 0,8611 г/смі (п-ксилол).

Ксилол нефтяной представляет собой смесь трех изомеров ксилола и этилбензола и предназначен для выделения изомеров ксилола и применения в качестве растворителя.

Химическая формула: С8Н10.

Плотность при 20°С, г/см3 0,862-0,868

Пределы перегонки, °С:

- температура начала перегонки, не ниже 137,0

- 98% объема перегоняется при температуре, не выше 143,0

- 95% объема перегоняется при температуре, не выше 4,5

Температура вспышки, °С, не ниже 23

Реакция водной вытяжки нейтральная

Испаряемость: испаряемость без остатка

Температура вспышки, °С, не ниже 23

Молекулярная масса: 106.2 г/моль

Температура кипения: 138°C

Температура плавления: 13°C

Относительная плотность (вода = 1): 0.86

Растворимость в воде: нерастворимо

Давление паров, кПа при 20°C: 0.9

Относительная плотность пара (воздух = 1): 3.7

Относительная плотность смеси пар/воздух при 20°C (воздух = 1): 1.02

Температура вспышки: 27°C

Температура самовоспламенения: 528°C

Пределы взрываемости, объем % в воздухе: 1.1-7.0

Koэффициент распределения октанол/вода как lg Pow: 3.15

Формула в виде текста: 1,2-C6H4(CH3)2

Температурные константы смесей:

- 116,8 °C (температура кипения азеотропа, давление 1 атм) 1,2-диметилбензол 25% н-бутиловый спирт 75%

Растворимость (в г/100 г или характеристика):

ацетон: смешивается

бензол: смешивается

вода: не растворим

диэтиловый эфир: хорошо растворим

петролейный эфир: смешивается

тетрахлорметан: смешивается

этанол: хорошо растворим

Критическая температура (в °C): 359

Критическое давление (в МПа): 3,65

Электрические свойства

Электропроводность (Ом-1): Диэлектрик

Диэлектрическая проницаемость: 2.374 (20 °С)

Дипольный момент: 0.37

Этилбензол

Химические свойства

Обладает свойствами органических соединений. Взаимодействие с галогенами Cl2 и Br2 в газовой фазе при повышенных температурах или при освещении протекает по свободно-радикальному механизму с образованием 1-галогенэтил- и 2-галогенэтилбензолов. При реакции в жидкой фазе образуется набор орто- и пара- замещенных производных. Нитруется этилбензол аналогично толуолу, в результате взаимодействия получаются моно-, ди- и тринитрозамещенные аддукты.

Нитрование HNO3 (d=1,5) и сульфирование идет в бензольное кольцо с образованием соответствующих моно-, ди- и тринитропроизводных. При окислении СrО3 или разбавленной HNO3 этилбензол превращается в бензойную кислоту и ацетофенон, при окислении раствором Na2Cr2O7 в автоклаве при температуре 250 °С в течение 1 ч - в натриевую соль фенилуксусной кислоты (выход 89%). Жидкофазное окисление этилбензола в присутствии ацетата Мn приводит к - фенилэтиловому спирту, который при 300 °С в присутствии TiO2 превращается в стирол. При окислении кислородом воздуха при 130 °С и 0,5 МПа этилбензол образует гидропероксид, который при 11О °С в присутствии нафтенатов W или Мо с пропеном образует пропиленоксид и -фенилэтиловый спирт.

При окислении этилбензола в зависимости от природы окислителя образуются различные продукты.

Так, при действии оксидом хрома (VI) или разбавленной азотной кислотой образуется ацетофенон и бензойная кислота; под действием дихромата натрия при повышенном давлении и температуре 250°C за этилбензол один час превращается в натриевую соль фенилуксусной кислоты с выходом 89%; жидкофазное окисление кислородом в присутствии ацетата марганца приводит к б-фенилэтиловому спирту; при окислении кислородом воздуха при 130°C получается гидроперекись.

При пропускании паров при 360 °С над катализатором на основе оксидов Zn или Сr этилбензол с выходом 90-92% дегидрируется в стирол.

Процесс проводят в присутствии катализатора. Наибольшее применение нашли катализаторы на основе оксида железа. Оптимальная температура при работе на этих катализаторах - 600-630 0C, равновесный выход стирола не превышает 40-50 %. Для более полного превращения этилбензола в стирол понижают парциальное давление паров этилбензола, разбавляя его водяным паром.

Физические свойства

Этилбензол - ароматический углеводород, бесцветная жидкость, поступает в окружающую среду с выбросами и сточными водами производств органического синтеза, синтетического каучука, пластмасс, искусственных волокон.

Это бесцветная жидкость, почти нерастворим в воде, растворяется в спирте, бензоле, эфире, четыреххлористом углероде.

Химическая формула C8H10

Молярная масса 106.167 г/моль

Плотность 0.8665 г/смі

Температура плавления -95 °C

Температура кипения 136 °C

Растворимость в воде 0.15 г/100 мл

Рег. номер CAS 100-41-4

CAS: 100-41-4

RTECS: DA0700000

ООН: 1175

ЕС: 601-023-00-4

Температура кипения: 136°C

Температура плавления: -95°C

Относительная плотность (вода = 1): 0.9

Растворимость в воде, г/100 мл при 20°C: 0.015

Давление паров, кПа при 20°C: 0.9

Относительная плотность пара (воздух = 1): 3.7

Относительная плотность смеси пар/воздух при 20°C (воздух = 1): 1.02

Температура вспышки: 18°C c.c.

Температура самовоспламенения: 432°C

Пределы взрываемости, объем% в воздухе: 1.0-6.7

Koэффициент распределения октанол/вода как lg Pow: 3.2

Брутто-формула (система Хилла): C8H10

Формула в виде текста: C6H5C2H5

Температура плавления (в °C): -93,9

Температура кипения (в °C): 136,15

Температурные константы смесей: 127,5 °C (температура кипения азеотропа, давление 1 атм) 1-нитропропан 59% этилбензол 41%

Растворимость (в г/100 г или характеристика):

вода: 0,014 (15°C)

диэтиловый эфир: смешивается

этанол: смешивается

Электрические свойтсва

Электропроводность (Ом-1): диэлектрик

Диэлектрическая проницаемость: 2.374 (20 °С)

Дипольный момент: 0.37

Стирол

Химические свойства

Стирол легко окисляется, присоединяет галогены, полимеризуется (образуя твердую стекловидную массу -- полистирол) и сополимеризуется с различными мономерами. Полимеризация происходит уже при комнатной температуре (иногда со взрывом), поэтому при хранении стирол стабилизируют антиоксидантами (например, третбутилпирокатехином, гидрохиноном). Галогенирование, например, в реакции с бромом, в отличии от анилина идёт не по бензольному кольцу, а по виниловой группе, образуя 1,2 дибромэтилфенил.

Физические свойства

Внешний вид: бесцветн. Жидкость

Молекулярная масса (в а.е.м.): 104,15

Температура плавления (в °C): -30,628

Температура кипения (в °C): 145,2

Растворимость (в г/100 г или характеристика):

ацетон: растворим

бензол: смешивается

вода: 0,05 (40°C)

диэтиловый эфир: растворим

метанол: растворим

петролейный эфир: смешивается

сероуглерод: растворим

этанол: растворим

Электрические свойства

Диэлектрическая проницаемость: 2.284 (20 °С);

Дипольный момент: 0;

Электропроводность (Ом-1): диэлектрик

Тиофены

Химические свойства

Тиофен относится к р-избыточным гетероароматическим системам и обладает выраженными ароматическими свойствами. В реакциях электрофильного замещения (галогенирование, нитрование, формилирование, дейтерирование и др.) тиофен значительно активнее бензола (в некоторых случаях в 104 раз). Реакции идут обычно (иногда исключительно) в б-положение цикла (на 2--3 порядка быстрее, чем в др. положение). Для производных тиофена, содержащих в положении 2 ориентанты II рода, реакции идут с образованием 2,5-дизамещенных. 2,4-Изомеры получают, вводя в реакции исходные соединения в виде комплексов с сильными протонными или апротонными кислотами, что объясняется резким увеличением электроноакцепторной способности заместителя в результате комплексообразования:

Тиофен и его производные менее стабильны, чем их бензольные аналоги, поэтому многие реакции в ряду тиофена сопровождаются поликонденсацией (смолообразованием) и деструкцией. Тиофен достаточно гладко алкилируется лишь в мягких условиях при использовании более активных третичных и вторичных (но не первичных) алкилгалогенидов. Тиофен и его замещенные, содержащие ориентанты I рода, очень легко ацилируются в присутствии SnCl4 или SnCl2; в бензоле, который в этих условиях не ацилируется. Формилирование тиофена протекает под действием ДМФА или N-метилформанилида в присутствии POCl3; взаимодействует с альдегидами и кетонами в присутствии апротонных или протонных кислот приводит к образованию соединений ряда ди(2-тиенил)метана.

Тиофен и его производные способны к прямому металлированию под действием литийорганических соединений по механизму так называемого протофильного замещения. Реакция протекает быстро и практически количественно при комнатной температуре в большинстве случаев с высокой региоспецифичностью с образованием б-металлированных производных. В очень мягких условиях (-70 °C) под действием C4H9Li протекает также реакция обмена атома галогена в цикле тиофена на металл, причем обмен галогена в б-положении предпочтительнее, чем в в-положении, а обмен I на Li идет легче, чем Br. В реакции нуклеофильного замещения легко вступают главным образом замещенные тиофена, содержащие в цикле ориентанты II рода.

Тиофен его гомологи и некоторые производные способны к реакциям радикального замещения, например арилированию по реакции Гомберга-Бахмана-Хея. Др. важнейший способ арилирования-УФ облучение иодтиофена в ароматическом растворителе или иодпроизводного ароматического характера в тиофене.

Свойства непредельных соединений выражены в тиофене слабо. Так, в диеновый синтез вступают только конденсированные тиофены, например, замещенные бензо[с]тиофена. Гидрирование в ряду тиофена идет обычно с трудом, что связано с его отравляющим действием на многие катализаторы. Тем не менее тиофен в присут. Pd/C, MoS, и др. превращается в тетрагидротиофен (тиофан, температура плавления ?96,2 °C, температура кипения 121,1 °C, 4° d204 0,9987, n20D 1,54048). Гомологи тиофена и многие замещенные легко превращаются в соответствующие производные тиофана в условиях ионного гидрирования, например при действии трифторуксусной кислоты и триэтилсилана. Дигидротиофен образуется при восстановлении тиофена Na в жидком NH3. При аналогичном восстановлении гомологов тиофена и его производных процесс обычно не останавливается на стадии образования дигидропроизводных, а происходит расщепление цикла с образованием соответствующих соединений алифатического ряда

Физические свойства

Тиофен -- ароматический пятичленный гетероцикл, содержащий один атом серы в цикле, молекулярная масса 84,14 г/моль; бесцветная жидкость с запахом бензола.

Внешний вид:

бесцветн. жидкость Брутто-формула (система Хилла): C4H4S

Молекулярная масса (в а.е.м.): 84,14

Температура плавления (в °C): -38,3

Температура кипения (в °C): 84,12

Растворимость (в г/100 г или характеристика):

ацетон: растворим

бензол: растворим

вода: не растворим

диоксан: смешивается

диэтиловый эфир: смешивается

пиридин: смешивается

тетрахлорметан: смешивается

толуол: смешивается

этанол: смешивается

Вкус, запах, гигроскопичность:

запах: бензола

Плотность: 1,0644 (20°C, г/см3)

Показатель преломления (для D-линии натрия): 1,5289 (20°C)

Дипольный момент молекулы (в дебаях): 0,55 (20°C)

Стандартная энтальпия образования ДH (298 К, кДж/моль): -82 (ж) Энтальпия плавления ДHпл (кДж/моль): 59,04

Энтальпия кипения ДHкип (кДж/моль): 34,47

Теплота сгорания Qp (кДж/моль): 2805,4

Критическая температура (в °C): 312

Критическое давление (в МПа): 4,56

Краткая характеристика технологического оборудования приведены в таблице 2 приложения 1, а режимные параметры процесса приведены в таблице 3 приложения 5.

1.2 Анализ требований к системе управления и техническим средствам автоматизации

Система управления предназначена для автоматизированного контроля и управления в реальном масштабе времени и обеспечивает решение следующих задач:

1. автоматизированное управление технологическим процессом;

2. стабилизация заданных режимов технологического процесса путем контроля значений технологических параметров, визуального представления и выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы как в автоматическом режиме, так и в результате действий технолога-оператора;

3. увеличение выхода товарной продукции;

4. уменьшение материальных и энергетических затрат;

5. улучшение качественных показателей конечной продукции;

6. определение аварийных ситуаций на технологических узлах путем опроса подключенных к системе датчиков в автоматическом режиме, анализа измеренных показаний и переключения технологических узлов в безопасное состояние путем выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы в автоматическом режиме или по инициативе оперативного персонала;

7. формирование информации о работе технологического объекта и предоставление ее для передачи в заводскую ЛВС.

При выборе автоматизированной системы управления технологическим производством (АСУТП) следует учесть, что данная информационно-управляющая система должна обеспечивать необходимую точность, быстродействие, высокую чувствительность и надежность в соответствии с заданными метрологическими, эксплуатационными и экономическими характеристиками.

Данная система должна соответствовать следующим требованиям:

1. потребительские требования для выбранной системы автоматического управления (САУ) заключаются в простоте работы обслуживающего и оперативного персонала, удобном представлении информационных результатов работы системы управления;

2. желательно, чтобы комплекс технических средств был компактным и надежным, а также не слишком сложным при монтаже;

3. экономические требования заключаются в получении ощутимого экономического эффекта от внедрения новой техники, получаемого за счет экономии энергоресурсов и сырья, так и за счет улучшения качества продукции, выпускаемой на этой установке.

4. Эксплуатационные требования включают в себя:

5. гибкость, то есть возможность легко адаптироваться в любой системе управления;

6. оперативность полученной информации (быстрая обработка информации);

7. достоверность полученной информации;

8. надежность технического и программного обеспечения (способность выполнять поставленные функции, сохраняя при этом характеристики в течение длительного времени эксплуатации);

9. низкая инерционность по введению управляющего воздействия на технологический объект управления.

Характеристики среды передачи данных и характеристики сигналов передачи данных.

Описание протокола HART

HART протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 Бод.

Для передачи логической "1" HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического "0" - два неполных периода 2200Гц.

Как видно на рисунке, HART составляющая накладывается на токовую петлю 4-20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно "0", то HART сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4-20 мА.

HART протокол построен по принципу "главный - подчиненный", то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор).

Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART протоколу.

Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Теперь оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.

В многоточечном режиме датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только питание устройства - 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART-протоколу.

К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а так же мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.

Прокладка кабеля

Для прокладки проводов в HART системе обычно должен использоваться кабель витой пары, либо экранированной пары, либо с общим экраном поверх кабеля, содержащего много витых пар. В последнем случае важно не использовать другие пары для сигналов, которые могут вызывать помехи в HART-коммуникации. Если кабель длиннее, чем несколько метров, его сопротивление и емкость могут оказаться значительными для ограничения на константу времени. Кроме того, его сопротивление, возможно, надо учесть при вычислении падения напряжения в контуре, которое требуется выполнить для каждой двухпроводной системы.

Параметры кабеля зависят от диаметра проводника, типа изоляции и толщины. Емкость измеряется от одного проводника до всех других и до экрана; сопротивление измеряется для обоих соединенных последовательно проводников. Применяйте измеренные значения или приведенные характеристики конкретного кабеля, использованного при установке. Типичные значения таковы:

Типичные значения емкости.

Экранированная витая пара для компьютеров - 65 пкФ/м (120 Ом/км)

Промышленная экранированная витая пара - 150 пкФ/м (120 Ом/км)

Экранированный многожильный кабель - 200 пкФ/м (120 Ом/км)

Протокол Modbus

Modbus - коммуникационный протокол, основанный на клиент-серверной архитектуре. Использует для передачи данных последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232 и другие, а также сети TCP/IP. При использовании последовательных линий связи в одной сети может быть только одно ведущее устройство(master), которое может опрашивать другие подчиненные устройства(slave). Ни одно подчиненное устройство не может самостоятельно запросить или передать данные другому устройству. Ведущее устройство(master) может запросить данные с каждого подчиненного устройства по очереди или инициировать одновременную передачу сообщения на все подчиненные устройства. В одной сети может быть до 247 подчиненных устройств(slave).

Протокол Modbus предусматривает для передачи данных по последовательным линиям связи два режима передачи: RTU и ASCII.

Режим ASCII предназначен для медленных линий связи, где каждый байт пакета передается как два ASCII символа. Новый пакет начинается со специального служебного символа. При этом между передачей символов одного пакета пауза может быть нескольких секунд(в зависимости от настроек) без возникновения ошибок при передаче.

Использование режима RTU позволяет приблизительно 2 раза увеличить количество передаваемых данных по последовательной линии связи. Данные пакета передаются по сети в двоичном виде без изменений. В режиме RTU перед передачей пакета в линии Рекомендации по проектированию и наладке. 5 выдерживается небольшой интервал тишины. Пакет передается непрерывным потоком данных. Таким образом на скорости 19200 бит/с возможно передать за 1 секунду до 1400 байт данных(при повторяющемся запросе 126 переменных) или опросить до 40 раз одно или несколько устройств(при запросе одной переменной). RTU.

Выбор кабеля

Возможно применение 2-х типов кабелей: специализированных экранированных кабелей промышленного применения для сетей RS-485 (Например, Belden 3106A, Teldor 9392L02101) и многопарную экранированную медную витую пару категории 5 или выше (например, Belden 1633E, Nikolan NKL 9200C, Alcatel Nexans N100.461).

В настоящий момент выпускается большое количество специализированных кабелей для интерфейса RS-485. Обычно они имеют сечение проводника 0.7-0.8 мм. Для объединения устройств достаточно, чтобы выбранный кабель имел одну витую пару и еще один проводник. Однако вполне допустимо использование многопарного кабеля.

Для связи по сети RS-485 вполне достаточно обычной экранированной витой пары 5-й категории. Кабели витой пары категории 6-й и 7-й имеют большее сечение и их применение может быть оправдано только при использовании сетей с большим количеством устройств и/или длинной более 300м.

Витая пара обозначенная как STP - экранирована оплеткой, обозначенная как FTP(например Belden 1633E) - экранирована фольгой. Экранированные кабели Nexans имеют обозначение F2TP, что обозначает экранирование двойной фольгой. Одинаково применимы все типа экрана. Кабели SFTP, SSTP имеют двойной экран - общая оплетка и экраны каждой пары. Кабели витой пары с двойным экраном оправдано применять только для прокладки трасс вне помещений или при наличии высоких помех на линию. Экранированные кабели витой пары практически доступны только в 4-х парном варианте, что обусловлено применением их в современных структурированных сетях (СКС). В одном кабеле может быть только одна линия связи. Сигналы и проводник земли приемников RS-485 должны соответствовать цветам витой пары в соответствии с таблицей.

2. Обоснование выбора комплекса технических средств автоматизации

2.1 Расчет характеристик и выбор первичных преобразователей

Измерение температуры

Для измерения температуры используют различные первичные преобразователи, отличающиеся способом преобразования температуры в промежуточный сигнал. В промышленности наибольшее применение получили следующие первичные преобразователи: манометрические термометры, термометры сопротивления, термопары (термоэлектрические пирометры) и пирометры излучения.

Манометрические термометры отличаются простотой устройства, возможностью дистанционной передачи показаний и автоматической записи. Одним из важных преимуществ является возможность их использования в пожаро- и взрывоопасных помещениях. К недостаткам относится трудность ремонта при разгерметизации системы, ограниченное расстояние дистанционной передачи показаний и во многих случаях большие размеры термобаллона. Газовые и жидкостные манометрические термометры имеют класс точности 1; 1,5 и 2,5, конденсационные -- 1,5; 2,5 и 4. Манометрические термометры в зависимости от вида рабочего (термометрического) вещества, заполняющего термосистему, подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные.

Термоэлектрические термометры: по температурному диапазону, среде в измеряемом аппарате и требуемому классу точности, можно подобрать необходимую термопару. Однако при дистанционной передачи показаний необходимы удлиняющие провода. Эти провода должны обладать определенными свойствами, чтобы исключить возникновение паразитной термо-ЭДС. Возникновение паразитных термо-ЭДС будет исключено, если удлиняющие провода будут иметь ту же градуировочную характеристику, что и сам термометр.

Пирометры излучения: они применяются для измерения температур от 20 до 6000°С. Точный учет количества лучистой энергии, поступающей на преобразователь, крайне труден, так как между преобразователем и окружающей средой происходит теплообмен. Поэтому прибор может иметь не поддающиеся учету погрешности.

Термометры сопротивления: измерение температуры термометром сопротивления основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении их температуры. Зная эту зависимость, можно по значению сопротивления определить температуру среды, в которую помещен термометр сопротивления. При увеличении температуры сопротивления ряда чистых металлов растет, а полупроводников снижается. Для изготовления термометра сопротивления наиболее пригодны по своим физико-химическим свойствам никель, платина и медь. Термометры расширения.

Построены на принципе изменения объема жидкости (жидкостной) или линейных размеров твердых тел (деформационные) при изменения температуры. Основные достоинства жидкостных стеклянных термометров - простота и высокая точность измерения; недостатки - невозможность регистрации и передачи показаний на расстояние, значительная тепловая инерция, невозможность ремонта.

В промышленных условиях для измерения температуры наиболее часто используются два способа первичного преобразования температуры: с применением термопары и термометра сопротивления, которые предоставляют возможность преобразования и передачи сигнала на расстояния с для удобства управления объектом автоматизации.

В данном курсовом проекте используем термометры сопротивления платиновые RM фирмы Yokogawa. Они обладают следующими преимуществами: более высокой точностью измерения, возможностью передачи показаний на большие расстояния, меньшим запаздыванием показаний.

Сравним характеристики преобразователей термоэлектрических ТХА и выбранных термометров RM.

Преобразователи термоэлектрические ТХА-0192-М1

Материал защитной арматуры: сталь 12Х18Н10Т

Погрешность: ± 2,5 С.

Класс допуска чувствительного элемента по ГОСТ 6616-94: 2

Электрическое сопротивление изоляции между чувствительным элементом и металлической частью защитной арматуры при температуре окружающего воздуха (25±10) °С и относительной влажности от З0 до 80%, МОм, не менее 100

Показатель тепловой инерции, с, не более 130

Устойчивость к механическим воздействиям по ГОСТ 12997-84 N2

Условное давление измеряемой среды, МПа 0,4

Климатическое исполнение - С4 по ГОСТ 12997-84, при этом верхнее значение температуры окружающего воздуха до 85 ° С.

Степень защиты от воздействия воды и пыли IP 66

Термометр сопротивления моделей RM содержит платиновый резистивный элемент (сопротивлением 100 Ом или 50 Ом), размещенный в защитной металлической трубке или измерительном канале для ввода термопар, подсоединенному к клеммной коробке.

В термометре сопротивления модели RM используется выдвижная защитная трубка. Поставляются варианты устройств с возможностью монтажа на трубной резьбе или на неподвижном или подвижном фланце. Модель RM наиболее широко применяется в технологических процессах общего назначения.

В модели RM используется измерительный канал - цилиндрические или конические трубки с монтажом на неподвижном фланце или трубных резьбах.

Конструкция: Термометр сопротивления с выдвижной защитной трубкой

Тип монтажа: RM-2 монтаж на фланце

Номинальное сопротивление: IEC, JIS, платиновый элемент на 100 Ом

Номинальный ток: 5 мА

Класс А IEC, JIS

Рабочий температурный диапазон: от 0 до 300 С

Допуск на температуру: ±0,35 С

Число резистивных элементов: Единичный

Наружный диаметр защитной трубки: 12 мм.

Наружный диаметр измерительного канала: 22 мм.

Материал:

Защитная трубка: Нержавеющая сталь.

Измерительный канал: Нержавеющая сталь (JIS SUS304)

Монтажный фланец:

Тип: JIS 5K, 10K или 20К

Класс 150 ANSI (Американский национальный институт стандартов).

Обточка торца: Отбортованный или плоский торец.

Номинальный размер: 20 мм

Монтажные трубные резьбы:

Тип:

Цилиндрическая или коническая по JIS

Коническая по ANSI

Номинальный размер: 1/2 дюйма

Код заказа: RH-2-4-A1A11-MA

2- с монтажом на фланце

1- клеммная коробка общего типа

A- наружный диаметр измерительного канала

1- материал измерительного канала нержавеющая сталь

A1- тип монтажа фланец класса ANSI 150

1- монтаж номинальный размер 15 мм

M- платиновый элемент Pt100 для средних температур 0-350 С с одним элементом класс А

Рис. 2.1.1 Габаритные размеры термометра RM

Измерение давления

Измерение давления необходимо для управления технологическими процессами и обеспечения безопасности производства. По принципу действия приборы для измерения давления делятся на: жидкостные, грузопоршневые, электрические и деформационные.

Жидкостные манометры. Эти приборы в основном используются в лабораторной практике и при проведении промышленных испытаний. При работе с жидкостными приборами необходимо исключать возможность перегрузок и резких изменений давления, так как в этом случае может происходить выплескивание рабочей жидкости в линию или атмосферу. Недостатки: зависимость чувствительного элемента от изменения плотности рабочей среды и наличие трубок, подводящих давление, которые могут вносить погрешность в измерение.

Деформационные манометры и дифманометры имеют следующие недостатки: у упругих чувствительных элементов накапливаются пластические деформации и уменьшаются упругие, также существенными недостатками являются значительный гистерезис и некоторая нелинейность статической характеристики

Грузопоршневые манометры: они используются в качестве образцовых средств, а также для точных измерений давления в лабораторной практике, поэтому нет необходимости использовать приборы данного принципа измерения.

К недостаткам электрических манометров относится: малая чувствительность, зависимость от изменения температуры. Эти приборы применяют главным образом в лабораторной практике для исследовательских целей.

В данном курсовом проекте используем датчик избыточного давления EJX 430A .

Высокоэффективный датчик избыточного давления модели ЕJX430А имеет монокристаллический кремниевый резонанс- ный чувствительный элемент и может быть использован для измерения давления жидкости, газа или пара. Его выходной сигнал 4-20 мА постоянного тока соответствует величине измеренного давления. Датчик обеспечивает быстрый отклик, позволяет осуществлять дистанционный контроль и установку параметров посредством цифровой связи с BRAIN или HART-коммуникатором, располагает функцией диагностики. Многоточечная технология измерения обеспечивает расширенную диагностику, позволяющую выявлять такие нарушения, как блокировка импульсной линии или поломка теплотрассы. Также можно использовать протокол связи по шине FOUNDATION Fieldbus.

Пределы шкалы и диапозон измерений: 0,025 5 кгс/см2

Максимальное рабочее давление

капсула H: 500 кПа

Выходной сигнал:

4…20 мА с функцией цифровой связи по BRAIN или HART протоколу, Foundation Fieldbus.

Реле сигнализации (опционально)

Выходной сигнал программно может быть задан линейным, или произвольно сегментно линеризован.

Время отклика: 90 мсек

Температура процесса -40...120 °С

Температура окружающей среды

-51 °С (без индикатора)

-30…80 °С (с индикатором)

Питание 10,5...42 В постоянного тока

Материал, контактирующий со средой

стандартно: мембрана - Hastelloy C-276

остальное - нержавеющая сталь 316L SST

Конструктивное исполнение

стандартное: IP67

искробезопасное: (EExiaIICT5)

взрывонепроницаемое: (EExdIIСТ4, Т5, Т6)

Сертификат надежности для систем ПАЗ(RWTUV Systems GmbH) Стандартно: - SIL2, (при использовании 2-х датчиков - SIL3)

Межповерочный интервал - 5 лет.

Влияние изменения температуры окружающей среды на 28 С 0,04% от шкалы + 0,0125% ВПИ

Стабильность (Все нормальные рабочие состояния): 0,1% от ВПИ

Влияние вибраций: Код корпуса усилителя 1- Меньше 0,1% ВПИ

Влияние вибраций

Влияние положения при монтаже

Наклон на 90 вызывает сдвиг нуля до 0,4 кПа

Код заказа: EJA 430 A- ECS5B-92NAE- 4..20 мА

C- диапазон измерений: 5…32 MПа

5- технологическое соединение: без рабочего штуцера (внутренняя резьба 1/4 NPT на фланцевых крышках)

B- материал болтов и гаек: SUS630

9- монтаж: вертикальная импульсная обвязка, высокое давление слева

1- корпус усилителя: литой из алюминиевого сплава

2- электрическое соединение: два электрических соединения с внутренней резьбой 1/2 NPT без заглушек

N- встроенный индикатор отсутствует.

A- монтажный кронштейн: углеродистая сталь

Рис. 2.1.2 Габаритные размеры датчика EJX 430A

Измерение уровня

Для ведения технологических процессов большое значение имеет контроль за уровнем жидкостей в производственных аппаратах. Наиболее распространенными приборами для измерения уровня жидкости являются поплавковые, буйковые, емкостные, акустические, гидростатические уровнемеры и уровнемер с визуальным отсчетом.

Поплавковые и буйковые имеют следующие недостатки: наличие поплавка в резервуаре, трудности измерения уровня в резервуарах под давлением, металлоемкость, недостаточная точность, погрешность из-за изменения силы, натягивающей трос.

К недостаткам акустических уровнемеров относится: недостаточная точность измерения, используется для жидкостей с температурой не более 800С и давлением не более 4 МПа.

Уровнемер с визуальным отсчетом рассчитаны на визуальное измерение высоты уровня жидкости, т.е. невозможно дистанционное измерение.

Емкостные уровнемеры имеют следующие недостатки: высокая чувствительность к изменению электрических свойств жидкости и изменению емкости кабеля, соединяющего первичный преобразователь с измерительным прибором, недостаточная точность измерения.

Гидростатические уровнемеры: метод измерения уровня дифманометрами обладает рядом достоинств. Такие уровнемеры отличаются механической прочностью, простотой монтажа, надежностью. Но им присущ один существенный недостаток: чувствительный элемент дифманометров находится в непосредственном контакте с контролируемой средой. При измерении уровня агрессивных сред это вызывает необходимость либо использования специальных материалов для дифманометров, либо применения схем подключения дифманометров, не допускающих попадания активных сред в дифманометр, например включения в импульсные линии разделительных устройств, продувка импульсных линий чистой водой и так далее.

Волноводный уровнемер: метод измерения основан на технологии рефлектометрии во времени (TDR = Time Domain Reflectometry). Микроволновые радиоимпульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду, уровень которой нужно определить. Когда радиоимпульс достигает среды с коэффициентом диэлектрической проницаемости, отличной от проницаемости газа над поверхностью среды, то из-за разности коэффициентов диэлектрических проницаемостей происходит отражение микроволнового сигнала в обратном направлении. Временной интервал между моментом передачи радиоимпульса и моментом приема эхо-сигнала пропорционален расстоянию до уровня контролируемой среды. Аналогичным образом измеряется расстояние между датчиком уровнемера и границей раздела двух жидких сред с различными коэффициентами диэлектрической проницаемости.

В данном курсовом проекте для измерения уровня используем датчик перепада давления EJX 110A.

В гидростатических датчиках измерение уровня Н жидкости постоянной плотности сводится к измерению гидростатического давления P, создаваемого жидкостью с учетом ускорения свободного падения g:

Р=Нg;

На основании полученного результата для измерения выбрали датчик перепада давления EJX110A. базовая модель семейства датчиков высокой технологии DPharpEJX, предназначен для измерения расхода (при диафрагменном методе измерения), а также для измерения уровня и плотности гидростатическим методом. Благодаря функции измерения рабочего давления одновременно может работать также как сигнализатор давления. Применим для приложений, требующих высокого быстродействия.

Влияние положения при монтаже

Вращение в плоскости диафрагмы не оказывает влияния.

Наклон на 90° вызывает сдвиг нуля до 0,4 кПа (1,6 дюймоввод.ст.) который может быть устранен подстройкой нуля.

Время отклика (Дифференциальное давление)

Капсулы M и H: 95 мс

Капсула L: 130 мс

При установке демпфирования усилителя в ноль и включая время простоя, равное 45 мс (номинальное значение)

Выход:

Два провода 4 ч 20 мА постоянного тока с цифровой связью, с программированием линейности или «квадратного корня». Протоколы BRAIN или HART FSK накладываются на сигнал 4 ч 20мА.

Диапазон изменения выхода: от 3,6 до 21,6 мА. Пределы изменения выхода, удовлетворяющие NAMUR NE43, можно изменить при помощи опций C2 или C3.

Сигнализация о неисправности (Выходной сигнал с кодами D и E)

Состояние выхода при отказе ЦПУ и ошибке аппаратуры;

Выход за верхнее значение шкалы: 110%, 21,6 мА постоянного тока или больше (стандарт)

Выход за нижнее значение шкалы: -5%, 3,2 мА постоянного тока или меньше

Константа времени демпфирования (1-го порядка)

Константа времени демпфирования усилителя устанавливается в интервале от 0 до 100 сек и добавляется ко времени реакции.

Примечание: Если для протокола типа BRAIN демпфирование усилителя устанавливается меньшим, чем 0,5 сек, связь во время операции иногда становится невозможной, особенно в случае динамического изменения выхода. Установка демпфирования, принимаемая по умолчанию, обеспечивает устойчивую связь.

Период обновления

Для дифференциального давления: 45 мс

Для статического давления: 360 мс

Пределы регулировки нуля

Нуль можно свободно передвигать как вверх так и вниз в границах верхнего и нижнего пределов диапазона капсулы.

Внешняя регулировка нуля

Непрерывная настройка с 0,01% разрешения приращения шкалы. Диапазон измерений можно настроить «на месте», используя цифровой индикатор с переключателем диапазонов.