Проектування свинцево-кислотного акумулятора

1 АСКТП

1.1 Визначення об'єкту автоматизації

1.1.1 Фізико-хімічні основи процесу

Основу хімічних джерел струму складають два електроди (катод, що містить окислювач і анод, відновник, що містить), що контактують з електролітом. Між електродами встановлюється різниця потенціалів -- електрорушійна сила, відповідна вільній енергії окислювально-відновної реакції. Дія хімічних джерел струму заснована на протіканні при замкнутому зовнішньому ланцюзі просторово розділених процесів: на катоді відновник окислюється, вільні електрони, що утворюються, переходять, створюючи розрядний струм, по зовнішньому ланцюгу до анода, де вони беруть участь в реакції відновлення окислювача.

Електрохімічним методом можна також назад перетворити електричну енергію в хімічну і таким чином нагромаджувати, акумулювати електричну енергію в хімічній формі. Електрохімічне вічко багатократної дії, що перезаряджається, називають також «акумулятор».

Виробництво оксиду: Оксид свинцю виробляється зі свинцевих чушок (свинцевих мас з плавильних печей) одним з 2-х методів - в казані Бартона або подрібненням. У казані Бартона через розплавлений свинець продувається повітря, унаслідок чого утворюється мелкодісперсний потік свинцевих крапель. Краплі взаємодіють з киснем повітря, утворюючи оксид свинцю (PBO), який покриває ядро з чистого свинцю.

Для подрібнення твердий свинець (розміром від маленьких кульок до крупних чушок) завантажується в спеціальний млин, що обертається. В процесі дроблення свинцю виділяється тепло, і свинцева поверхня окислюється. Оскільки частки обертаються в барабані, поверхневі шари оксиду стираються, відкриваючи чистий свинець, що знаходиться під ними, для окислення. Виготовлення грат: Грати виготовляються головним чином за допомогою відливання (як автоматичною, так і ручною). Грати для автомобільних акумуляторів виробляються переважно вальцюванням з деформованого сплаву або сплаву з литого свинцю. Намазка пасти: Акумуляторна паста виробляється змішуванням оксиду з водою, сірчаною кислотою і рядом патентованих добавок. Паста механічно або уручну запресовується в грати, і пластини витримуються до повного висихання у високотемпературній печі. У даному дипломному проекті автоматизації підлягають млинарська ділянка для приготування свинцевого порошку, який використовується як для приготування пасти, так і для виготовлення токоотводів.

1.1.2 Опис технологічного процесу і його апаратне оформлення

Цех пастоприготування і пастонамазки є самим насиченим всіляким технологічним устаткуванням. Процес здобуття порошку повністю автоматизований, і задані параметри роботи установки контролюються складною мікропроцесорною технікою. Подальший процес виготовлення акумуляторної пасти і намазування електродних пластин настільки швидкоплинний, що управляється і контролюється персональним комп'ютером. Тут лише комп'ютер може устежити за чітким дозуванням компонентів пасти, циклом змішування і іншими параметрами, які дозволяють виготовляти акумуляторну пасту строго заданого хімічного і структурного складу.

Подальше намазування електродних пластин виконується на пастонамазочних машинах з періодичним контролем ваги вмазуваної пасти і товщини електродних пластин. Після виходу з пастонамазочной машини, електродні пластини складуються в спеціальні контейнери і поміщаються в спеціальні кліматичні камери, де автоматично підтримується режим температури і вологості

Цех призначений для :

- виготовлення грат для позитивних і негативних електродів (пластин);

- виготовлення свинцевого порошку, з якого виготовляють пасту для намазування грат;

- намазування грат і їх дозрівання.

1.1.3 Норми технологічного режиму

Забезпечення оптимальної продуктивності устаткування, а також зменшення норм витрати електроенергії при роботі основного технічного устаткування великою мірою залежить від дотримання норм ведення технологічного режиму, приведеного в таблиці 8.1.

Таблиця 1.1 - Норми технологічного режиму.

Технологічне устаткування встановлене в закритому вентильованому приміщенні з наступними кліматичними умовами: температура довкілля - 18-20 ^оС, влітку не більш 35 ^оС [ ].

1.2 Розробка АСКТП

1.2.1 Вибір и обоснування параметрів автоматичного контролю, регулювання та сигналізації

Як об'єкт автоматизації виступає лінія пастонамазки. Головною її роллю є намазування активної маси, заздалегідь отриманої зі свинцевого порошку, кислоти і води, на токоотвод.

Головними регульованими параметрами для лінії є витрата води, кислоти і свинцевого порошку, температура в міксері та мельниці, тиск в міксері та трубопроводах, вага мельничного апарату.

При недотриманні правильних пропорцій речовин необхідних для приготування пасти, це може привести до відшарування активної маси від грат, швидкий розряд акумуляторної батареї і так далі Отже, потрібне регулювання витрати цих речовин, для приготування пасти необхідної щільності, складу і консистенції. Для цього на трубопроводи слід встановити витратоміри для нижче вказаних речовин [ ].

Для приготування свинцевого порошку використовується кульовий млин, призначений для сухого і мокрого помелу матеріалу самоізмельченієм або під дією тіл, що мелють, чи керамічних і твердосплавних куль діаметром 30-70мм. Млин має циліндрову форму. Тут свинцеві циліндрики за допомогою Архимедова гвинта перетворюються на порошок. Рух млина здійснюється за допомогою механічного приводу.

Обов'язково необхідно регулювати в ручну і дистанційно витрати вказаних речовин за допомогою відкриття або закриття відповідних клапанів, встановлених на відповідних магістралях. Система управління технологічним процесом повинна забезпечувати досягнення поставлених цілей управління за рахунок заданої точності підтримки значень технологічних параметрів в різних умовах роботи виробництва при надійній безаварійній роботі об'єкту автоматизації, а також задовольняти вимогам пожежної безпеки [ ].

Виберемо параметри, які характеризують процес:

1. витрата речовин, необхідних для приготування пасти.

2. температура в міксері і млині

3. тиск (вакуум) в трубопроводі (апараті).

4. вага млина

5. Швидкість обертання стакану та мішалки

Комплекс задач, які повинна виконувати система приведений в таблиці 1.2.

Таблиця 1.2 - Комплекс задач контроля та управління.

1.2.2 Вибір і обгрунтування методів автоматичного контролю технологічних параметрів

Вибір того або іншого методу виміру обумовлений наступними чинниками:

- діапазоном виміру технологічного параметра;

- чутливістю виміру;

- лінійністю градуювальної характеристики;

- погрішністю виміру.

Оскільки температура в міксері не повинна перевищувати 80оС, а в млині близько 104-107 оС, то вибираємо термометр опору, який включає термопреобразователь опору і вторинний прилад. Його дія заснована на залежності електричного опору чутливого елементу від зміни температури. Вибираємо ТСМ-0879-01 з нормуючим перетворювачем Ш703. Прилад забезпечує лінійну залежність вихідного сигналу від вимірюваної температури. Допускає перевантаження по вхідному сигналу і витримують без пошкоджень обрив вхідних ланцюгів[ ].

Для виміру швидкості обертання стакана міксера і мішалки вибираємо електронний тахометр 7ТЕ. Він призначений для виміру швидкостей частин механізмів машин. Тахометр складається з датчика, що вмонтовується безпосередньо на місці виміру зворотів, і вторинного цифрового показуючого приладу, настільного або щитового монтажу, який може бути віднесений не більше ніж на 10м від датчика. Живлення тахометра змінним струмом напругою 220В, частотою 50Гц. Споживана потужність не більше 12 В*А. Тахометр призначений для роботи при температурі навколишнього повітря 10-50ОС і відносній вологості 80%. Датчик використовується при температурі від -10 до +60оС. Маса датчика не більше 0.4 кг, вимірювального блоку 2.4кг.

Прилад для виміру ваги млина. Як такий пристрій використовуємо електронно-тензометрічеськоє весоїзмерітельноє пристрій для автоматичного зважування емностей та дистанційного дозування . У таких пристроях як датчик застосований тензометрічеський прилад, зібраний за мостовою схемою, на виході якого виникає напруга, пропорційна навантаженню, що додається. Вибираємо пристрій 1ЭДВУ6-2-4. Вторинний прилад такого пристрою іскробезпечного виконання, тому може бути використаний у вибухонебезпечних зонах приміщень. Пристрій 1ЭДВУ6-2-4 може експлуатуватися також в приміщеннях з агресивними середовищами. Датчики пристрою встановлюються під зважувану ємність. Як вторинний пристрій застосований показиващий і реєструючий потенціометр, вхідний ланцюг якого пристосований під підключення мостової схеми тензодатчика. Вторинний прилад може бути поставлений з електричним трипозиційним контактним виходом, з дистанційною передачею свідчень, з пневматичним виходом. Межа вимірів від 8 до 20 тонн. Живлення від мережі змінного струму напругою 220В і частотою 50Гц. Використовується при температурах навколишнього повітря -30 до +50^оС.

Для виміру надлишкового і вакуумметра тиску агресивних середовищ, що не кристалізуються, використовується МВМП-160-КС. Вимірюваний тиск викликає переміщення мембрани, яке за допомогою передавального трібко-секторного механізму перетвориться в обертальний рух стрілки. Прилад призначений для роботи в приміщеннях з температурою довкілля 5-35оС.

Для виміру тиску в трубопроводі подачі води і кислоти виберемо манометр ЕКМ 1У, який призначений для виміру надлишкового тиску різних середовищ і управління зовнішніми електричними ланцюгами від сигналізуючого пристрою прямої дії.

Основні технічні характеристики

- Межі показань приладу: від 0 до 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40; 60; 100; 160; 250; 400; 600; 1000; 1600 кгс/см2 За замовленням прилади поставляються в одиницях виміру кПа, МПа

- Клас точності приладів 1,5

- Маса приладів не більше 1,6 кг

- По стійкості до кліматичних дій прилади мають виконання У3, а також виконання Т3 по ГОСТ 15150-69 (але для роботи при температурі від -50 до +60 °С) .

Для виміру витрати кислоти і води можна використовувати витратомір змінного перепаду тиску. Вимір витрати заснований на вимірі потенційної енергії (або статичного тиску речовини), що протікає через місцеве звуження в трубопроводі. Як звужуючі пристрої використовують: діафрагми, сопла. Для виміру створеного діафрагмою сигналу використовуваний вимірювальний перетворювач гідростатичного тиску «Сапфір-22ДГ».

Це універсальний прилад (для виміру одно- або двофазних середовищ при різний значеннях температури і тиску). Витримує дію температури вимірюваного середовища у відкритої мембрани від -50оС до +120оС.

Для виміру витрати мелкодісперсних сипких матеріалів використовуваний MILLTRONICS Millflo Siemens

Вживання: витратомір малої і середньої продуктивності. Для продуктів харчування, зерна, кормів, хімії. Нерепривноє зважування, пилозахист. Компактна, міцна конструкція установок з обмеженням місця. Для абразивних і клейких матеріалів є пластини із спеціальним покриттям. Витратоміри випускаються з лакованої, нелегованої сталі або з нерж.сталі 1,4306 або 1,4404 Витрата: 1...230 т/ч Точність: ± 1 %

1.2.3 Выбор комплекса технических средств

Вибір комплексу технічних засобів. Обгрунтуємо і виберемо технічні засоби, що входять до складу каналів контролю і регулювання технологічних параметрів. Обгрунтування і вибирання засобів, що входять до складу каналів контролю і регулювання виробляється згідно структурної схеми по кожному технологічному параметру, а також згідно номінальних значень вимірюваних параметрів.

Обгрунтування і вибирання засобів включає:

- вибір первинного вимірювального перетворювача (датчика);

- вибір проміжного перетворювача;

- вибір вторинного приладу;

- вибір регулювальника.

Вибираний первинний вимірювальний перетворювач (датчик ) повинен задовольняти вимогам:

- діапазон виміру повинен відповідати діапазону зміни вимірюваного параметра;

- умови виміру по технічному паспорту повинні відповідати умовам виміру на технологічному об'єкті;

- погрішності вимірів не повинні перевищувати значень, заданих технологічним регламентом.

1.2.4 Вибір датчиків інформації

Об'єкт, який підлягає автоматизації належить до категорії «В» по взриво-пожежній безпеці. Для таких виробництв прилади мають бути пневматичними або електричними.

При виборі датчиків перевагою користуються ті первинні вимірювальні перетворювачі, які мають стандартний уніфікований струмовий сигнал 4-20мА.

Для контролю температурного режиму в міксері вибираємо номінальний перетворювач Ш703.

Витрата води і кислоти вимірювана методом змінного перепаду тиску . Для цього використовуємо комплект пристроїв, до складу якого входить діафрагма кам'яна типа ДК 6 і вимірювальний перетворювач різниці тиску типа «Сапфір-22ДГ».

1.2.5 Вибір засобів керуючої обчислювальної техніки

З аналізу технологічних параметрів витікає, що управління процесом вимагає не лише регулювання, а і вирішення окремих завдань логіки, що управляє. Враховуючи вищесказане, система управління має бути побудована на базі обчислювальної машини (УВМ), що управляє, наприклад, мікропроцесорного контроллера. Як такий пристрій вибрана одна з моделей мікропроцесорного контроллера Ломіконт ТМ. Цей вибір обумовлений тим, що Ломіконт є багатоцільовим контроллером загальнопромислового значення, архітектура контроллера оптимізована для вирішення завдань оптимального управління технологічними процесами і для виконання операцій логіки, що управляє. Контроллер має в своєму складі таймери і лічильники, що дозволяє виводити технологічні сповіщення і поточні значення параметрів на монітор для спостереження за ходом технологічного процесу і на друкуючий пристрій з метою документування процеса управління. Ломіконт може працювати як і у складі великої АСУТП, зв'язуючись з ЕОМ верхнього рівня по каналу цифрового зв'язку, так і як автономний технічний засіб, який вирішує комплекс завдань оптимального і логічного управління, регулювання, відображення і документування інформації про хід процесу управління. У даному проекті вибираємо другий варіант використання Ломіконта, тобто як автономний пристрій. У комплекті з мікропроцесорним контроллером працюють звичайні датчики і виконуючі механізми.

1.2.6 Вибір вторинного пристрою

Для відображення і реєстрації поточної інформації про хід технологічного процесу використовують вторинні прилади, встановлені на щиті оператора.

ДИСК-250 - базова модифікація. Такий прилад по своїх характеристиках повністю личить як вторинний пристрій для виміру температури, витрати і рівня. Вимір, відображення і реєстрація температури, тиску, витрати, рівня і інших параметрів. Управління процесом.

Термопари ТПП, ТПР, ТВР, ТХК, ТХА (K,l,s,b,a-1); термопреобразователі опору ТСМ, ТСП (Cu, Pt); 0-20,0-50,0-100 mv; 0-1, 0-10 V; мінус 10-0-плюс10 V; 0-5, 0-20, 4-20 ma. Пропорційний 0-5, 4-20 ma; пневматичний: контактний: реле 0,1a/127v, 1a/220v

1.2.7 Вибір виконуючих пристроїв

Вибираючи регулюючий клапан слід враховувати наступні чинники: - діаметр трубопроводу, на якому буде встановлений регулюючий клапан; - характеристики середовища в трубопроводі; - категорія виробництва по взривопожаро безпеці. Вибираємо регулюючий клапан типа 25ч38нж.

1.2.8 Вибір допоміжного устаткування

Для управління роботою електроприводу виберемо безконтактний пускач ПБР-2М. Для реалізації необхідного об'єму ручного управління і переходу системи з автоматичного режиму на ручній і зворотному напрямі використовуватимемо блок ручного управління БРУ-32. Перехід з ручного режиму управління на автоматичний і навпаки, а також дистанційне керування виконавчим пристроєм здійснюється за допомогою пневматичної панелі управління типа ПП12.2.

Для перетворення командного сигналу, що поступає на об'єкт управління, в стандартний пневматичний сигнал застосовується електропневматичний перетворювач типа ЕПП. Вибрані пристрої автоматизації були вибрані з підручників [ ].

1.3 Опис функціональної схеми автоматизації

Функціональна схема автоматизації розроблена відповідно до ГОСТ 21.404-85. Вибрані технічні засоби автоматизації згруповані на полі креслення за призначенням і метою функціонування. Основою комплексу технічних засобів, використовуваних при розробці АСОВІ ТП, є засоби обчислювальної техніки. Найчастіше для управління химіко-технологічнімі процесами застосовують мікропроцесорні контроллери типа Ломіконт, Реміконт і Діміконт.

У даному проекті ми використовуватимемо МК Ломіконт ТМ. Ломіконти зараз відносяться до основних пристроїв нижнього і верхнього рівнів, що управляють, в АСК ТП хімічних і інших виробництв.

Тиск в трубопроводі подачі сірчаної кислоти і води вимірюємо за допомогою манометра ЕКМ 1У(поз. 22-1, 23-1). Вакуум в міксері для приготування пасти підтримуваний за допомогою вакууму, вимірюємо тиск за допомогою манометра ЕКМ 1У(поз.17-1 ), який при відхиленні тиску в міксері від заданого, стандартний пневматичний сигнал від електропневматичного перетворювача поступає на пневматичну панель управління типа ПП12.2 (17-2), а потім на виконавчий механізм (поз.17-3).

Температура в міксері і млині контролюється і регулюється за допомогою термометра опору (мідного) ТСМ (поз.7-1,15-1), який підключений до нормуючого перетворювача типа Ш-703 (поз.7-2,15-2), який перетворить ТЕРМО-ЕРС в стандартний струмовий сигнал. Стандартний струмовий сигнал від перетворювача подається на мікропроцесорний контроллер.

Також вимірюємо вагу млина за допомогою електронно-тензометрічеського весоїзмерітельного пристрою для автоматичного зважування ємкостей і дистанційного дозування. Датчик (поз.6-1) встановлюють під вимірювану ємкість, який працює з вторинним приладом - потенціометром (поз. 6-2), який може бути встановлений з контактним виходом.

Вимір витрати води, кислоти здійснюється методом змінного перепаду тиску, для чого передбачені мембрани (поз. 1-1, 3-1,20-1), що працюють в комплекті з вимірювальним перетворювачем різниці тиску типа «Сапфір-22ДГ» (поз.1-2, 3-2, 20-2). Для здобуття лінійної залежності застосовуються блоки витягання квадратного кореня БІК-1.

Для контролю швидкості обертання млина використовуємо електронний тахометр 7ТЕ (поз.11-1, 13-1). Стандартний пневматичний сигнал від електропневматичного перетворювача поступає на пневматичну панель управління типа ПП12.2 (поз. 11-2, 13-2), а потім на виконавчий механізм (поз.11-3, 13-3).

Література для АСКТП

1. Ю. Н. Федоров. Справочник инженера по АСУТП. Проектирование и разработка. - М.: Инфра-Инженерия, 2008 .- 985с.

2. В. М. Абрамов. Электронные элементы устройств автоматического управления. Схемы, расчет, справочные данные. - М.: Академкнига, 2006 . - 680с.

3. Нестеров А.Л. Проектирование АСУТП. Книга 1. К.: "ДЕАН", 2006. - 560с.

4. База даних ДОЗ «Енергоавтоматика».

5. Промышленные приборы и средства автоматизации» справочник под редакцией Черенкова. Л. - «Машиностроение», 1987г