Проект автоматизации технологической линии ликеро-водочных изделий на КЛВ "Канский"

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Проект автоматизации технологической линии

ликеро-водочных изделий на КЛВ «Канский»

Рязанов М.А.

2004 год

Содержание

Введение

1. Технико-экономическое обоснование

2. Специальная часть

2.1Характеристика объекта автоматизации

Описание технологического процесса

Параметры технологического процесса

Описание режимов технологического процесса

2.2 Анализ связей между параметрами технологического процесса.. Анализ предлагаемой системы управления

2.3 Выводы и задачи проекта

2.4 Обоснование принятой структуры управления технологическим объектом

2.5 Обоснование выбора технических средств АСУТП

2.6 Предложения по использованию операционной системы, программных модулей и пакетов прикладных программ

2.7 Расчет параметров надежности системы автоматизации производства водок

2.8 Расчет параметров надежности элементов электрической принципиальной схемы управления насосом

2.9 Анализ надежности системы привода насоса с учетом заданных режимов

2.10 Расчет оптимальной настройки регулятора с помощью метода незатухающих колебаний

2.11 Особенности монтажа и эксплуатации системы

2.12 Пояснения к графической части

3. Безопасность и экологичность проекта

3.1 Анализ условий труда автоматизируемого производства

3.2 Общая характеристика опасности автоматизируемого производства

3.3 Организационно-технические мероприятия по созданию безопасных условий труда

3.4 Требования безопасности в процессе эксплуатации ЭВМ

3.5 Расчет зоны защиты цеха приготовления водок

3.6 Производственная санитария и гигиена труда

3.7 Экологичность проекта

3.8 Безопасность в чрезвычайных ситуациях

4. Экономические расчеты

4.1 Расчет эффективного фонда времени

4.2 Расчет годовой производительности оборудования

4.3 Расчет капитальных вложений

4.4 Расчет списочной численности рабочих

4.5 Определение изменений себестоимости продукции

4.6 Определение показателей экономической эффективности автоматизации производства

4.7 Определение изменения производительности труда

4.8 Определение годового экономического эффекта

Заключение

Список использованных источников

Приложение А Спецификация оборудования, изделий и материалов

Приложение Б Спецификация щитов

Приложение В Таблица соединений

Приложение Г Таблица подключения

Введение

Ликероводочное производство - отрасль пищевой промышленности, обеспечивающая выпуск спиртных напитков, водок и ликероводочных изделий. Производство водок и ликероводочных изделий основано на физико-химических процессах растворения, адсорбции, диффузии и других.

Производство водок состоит из технологических процессов подготовки воды, смешения спирта с водой с последующей обработкой водно-спиртового раствора активным углем и фильтрацией.

На основе последних разработок прикладных и фундаментальных наук, теории автоматического регулирования и управления на базе вновь разработанных приборов и регуляторов создаются современные системы автоматизации.

Автоматизация играет решающую роль при организации промышленного производства по принципу: выпуск заданного количества продукции при минимуме материальных затрат и затрат ручного труда.

Эффективность внедрения АСУ зависит не только от степени оснащения производства техническими средствами, но в значительной мере определяется качеством их наладки, степенью оптимальности выбранных параметров настройки регуляторов и в целом уровнем программного обеспечения.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что процесс получения водок необходимо автоматизировать с целью улучшения качества конечной продукции и предотвращения возможного экономического ущерба.

1. Технико-экономическое обоснование

В настоящее время основными недостатками существующей системы автоматизации является то, что используются устаревшие датчики без унифицированного выходного сигнала, что делает необходимым использование дополнительных преобразователей. Многие приборы выработали свой ресурс, имеют метрологическую недостаточность (не высокий классом точности, значительными пределами допускаемой основной погрешности по сравнению с современными приборами), большой физический и моральный износ. Например, для измерения водки в сортировочном чане применяется биметаллический термометр типа ТМ 48.01, у которого предел допускаемой погрешности равен 2%. Современный термопреобразователь с унифицированным выходным сигналом ТСМУ-205E_x имеет предел допускаемую погрешность 0,25%.

Кроме того, существующая система управления имеет только первый уровень технических средств, включающих в себя приборы и аппаратуру контроля и регулирования.

Устранение данных недостатков является необходимым, поскольку соответствие характеристик используемого материала является необходимым условием получения качественного конечного продукта.

Считаю необходимым внедрение системы централизованного управления технологическим процессом, для чего предлагается установить промышленный микроконтроллер для обработки информации с первичных датчиков с последующей передачей ее на ЭВМ.

2. Специальная часть

2.1 Характеристика объекта автоматизации

2.1.1 Описание технологического процесса

Для приготовления водок используется следующее технологическое оборудование:

Таблица - 2.1 Оборудование (перечень оборудования данного технологического процесса)

Наименование	Целевая функция	Характеристика и свойства
1	2	3
Сортировочный чан	1. Получение нужного состава вещества 2. Абсорбирование вещества. 3. Равномерное распределение вещества	Н=2.5м D=2м
Напорный сборник водки	Накопление вещества	Н=3.5м D=2.5м
Напорный сборник воды	Накопление вещества	Н=5м D=3м
Доводной чан	1. Получение нужного состава вещества 2. Абсорбирование вещества. 3 Равномерное распределение вещества	Н=3м D=3м
Фильтр Na-катионовый	Разделение вещества	Три слоя кварцевого песка (150мм,125мм,125мм); Насыпной вес 1м3 сульфо-угля составляет 0,53-0,58т; Коэффициент набухания сульфоугля К=1,55
Угольная колонна	Разделение вещества	Зернисты слой угля 4м
Фильтр песочный	Разделение вещества	D=700мм; Н=1100мм; слой ваты 30-40мм; два слоя кварцевого песка по 350мм;
Трубопровод	Транспорт или передача энергии	Dу = 50
Насос	Повышение энергии вещества	ЦНС 38/66 n= 3000 об/мин; N= 50 кВт U= 380 В;
Клапан регулирующий, с исполнительным механизмом, фланцевый, Dу = 50	Изменение проходного сечения	25ч7п2М НЗ Dу = 50 МИМ ЕСПА 04 РС 320/25

В качестве сырья для приготовления водок используется:

C₂H₅OH (спирт этиловый):

- объемная доля этилового спирта не менее 96%;

- проба на окисляемость при t=20⁰ не менее 10 мин.;

- массовая концентрация сивушных масел не более 35 мг/дм³ ;

- массовая сложных эфиров в пересчете на безводный спирт не более 30мг/дм³;

- объемная доля метилового спирта не более 0.05%;

- массовая концентрация свободных кислот не более 20 мг/дм³;

- массовая концентрация альдегидов не 10 мг/дм³;

H₂O (вода):

- жесткость 0.20 мг*экв/дм³;

- щелочность не более 4.0 мл м HCl на 100 мл;

- окисляемость 6.0 мг О₂/дм³;

- сухой остаток 500 мг*экв/дм³

- Рh не выше 7.8 мг*экв/дм³

ингредиенты: в зависимости от рецептуры водок.

Для регенерации катионитов используют 8 - 10% раствор поваренной соли.

Питьевую воду, из водонапоров направляют на песочные фильтры. Предварительное (перед Na-катионированием) обезжелезивание обеспечивает увеличение меж регенерационного периода сульфоуголя Nа-катионитовых установок за счет устранения загрязнений соединениями железа и повышения, таким образом, емкости катионита. Далее вода постапает на Na-катионовые фильтры, где происходит умягчение вод (загруженных сульфоуголем или катеонитом). Для регенерации катионитов используют 8 - 10% раствор поваренной соли (приготовленный в солерастворителе).

Умягчение - это процесс, в результате которого из воды удаляются соли жесткости. Способность катионитов к ионному обмену обусловлена наличием ионов водорода в их активных группах, которые могут свободно замещаться другими катионами.

Качество катионитов определяется их ионообменной способностью, химической и термической стойкостью, механической прочностью, степенью набухания, постоянством гранулометрического состава (постоянным размером частичек катионита), отсутствием растворимых примесей.

Умягчение жесткой воды осуществляется в процессе ее фильтрации через слой катионита (сульфоугля), содержащего катион натрия, способный на обмен с другими катионами. При прохождении воды через сульфоуголь происходит обмен катионов кальция и магния воды на катионы натрия. В результате этого в профильтрованной через ионообменную колонну воде в основном содержатся натриевые соли, обладающие большой растворимостью и не образующие в готовой продукции осадков (при определенной щелочности среды).

Очищенная вода поступает в сборник умягченной воды.

Спирт из спирто-хранилища через стационарные мерники (конические и цилиндрические) поступает в бак.

Из бака спирт поступают в автоматизированную установку приготовления водно-спиртовых растворов (сортировочный чан).

Приготовленный водно-спиртовый раствор центробежным насосом подается в сборник-дегазатор для сортировки, откуда самотеком направляется на фильтрационную батарею. Фильтрационная батарея для очистки водки активированным углем в динамических условиях (по динамическому методу) состоит из двух песочных форфильтров, двух угольных колонок (угольных фильтров), соединенных параллельно, и двух песочных фильтров для окончательной фильтрации водки после угольной очистки.

Качество очистки водки зависит от высоты слоя адсорбента (активированного угля) и времени контакта (соприкосновения) водно-спиртового раствора с углем.

При большей высоте слоя угля и большем контакте сортировки с углем в процессе очистки (в известных пределах) улучшаются дегустационные качества водки.

Процесс очистки водки в проходит в динамическом режиме и заключается в следующем порядке :

1 Очистка водно-спиртовой смеси на фильтрах грубой очистки.

Сортировка из напорных баков поступает на песочные форфильтры для предварительной фильтрации ее от минеральных и органических осадков и других механических загрязнений.

Предварительная, тщательная фильтрация сортировок перед поступлением их на угольную очистку (угольные колонки) -- строго обязательна для предохранения активированного угля от загрязнения и обеспечения этим самым длительного срока работы его (в течение 4--5 лет) без химической и термической (прокаливанием) регенерации.

2 Очистка на угольных колоннах.

Из форфильтров сортировка проходит снизу вверх через параллельно соединенные угольные колонки, полностью загруженные древесным активированным углем.

3 Очистка на фильтрах тонкой очистки.

После фильтрации через уголь водка направляется на песочные фильтры для окончательной фильтрации.

Поток водки из песочного фильтра направляется в сборники готовой продукции (доводные чаны), в которых, в случае необходимости, крепость водки доводят до стандартной и вносят ингредиенты, предусмотренные рецептурой.

Из сборников готовой продукции водка направляется на розлив.

Данный процесс представлен на функциональной схеме автоматизации

АПП 000001.053 А2

2.1.2 Параметры технологического процесса

Таблица 2.2 - Состав контролируемых и регулируемых параметров с величинами

Позиция на функциональной схеме (АПП 000001.053 А2)	Наименование параметра	Величина	Контроль	Регули-рование
1	2	3	4	5
1 - 1	Уровень воды в водонапорном баке	5м	+	+
2 - 1	Давление воды в трубопроводе перед песочным фильтром	0,5МПа	+	-
3 - 1	Давление воды в трубопроводе после песочного фильтра	0,4МПа	+	-
4 - 1	Давление воды в трубопроводе после песочного фильтра	0,4МПа	+	-
5 - 1	Расход воды	20 м3/ч	+	+
7-1	Расход раствора соли в трубопроводе	10 м3/ч	+	+
9 - 1	Уровень умягченной воды в сборнике	3м	+	+
11-1	Уровень спирта в баке	3,5м	+	+
12-1	Температура водки в сортровочном чане	10-250С	+	+
13-1	Уровень водки в сортировочном чане	2,5м	+	+
14-1	Уровень водки в напорном сборнике	3,5м	+	+
15-1	Давление водки в трубопроводе перед фильтром грубой очистки	0,5МПа	+	-
16-1	Давление водки в трубопроводе после фильтра грубой очистки	0,4МПа	+	-
17-1	Давление водки в трубопроводе после фильтра грубой очистки	0,4МПа	+	-
21-1	Расход водки в тубопроводе	15 м3/ч	+	+
22-1	Плотность водки в сортировочном чане	40%	+	+
23-1	Уровень водки с ингридиентами в сортировочном чане	3м	+	+

2.1.3 Описание режимов технологического процесса

Технологический процесс работает в трех основных режимах: режим «пуск-останов», в котором происходит пуск системы и, возможно, регулировка параметров системы; рабочий режим, т.е. режим нормальной работы в строгом соответствии с технологическим регламентом; аварийный режим - в ситуациях, когда происходит отклонение параметров технологического процесса от установленных регламентов или внештатные ситуации, которые можно разрешить средствами управления параметрами процесса, или, в крайнем случае, остановкой системы.

2.1.4 Режим «пуск-останов»

Пуск технологической линии производства водки осуществляться по следующей схеме:

Осуществляется подача спирта из спиртохранилища через регулирующий орган в напорный сборник (позиция 6). Одновременно в водонапорный бак (позиция 1) через регулирующий клапан подается вода. Питьевая вода, прошедшая стадию очистки, поступает в сортировочный чан.

В сортировочном чане спирт разбавляется водой до концентрации 1:1,48 (40%). Из сортировочного чана (позиция 5) водка с помощью центробежного насоса (позиция 12) поступает в напорный сборник водки (позиция 7), откуда самотеком проходит через фильтрационную батарею(позиции 8,9,10). Пройдя очистку, водка поступает в сборник готовой продукции (позиция 11), откуда готовая продукция отправляется на розлив.

Регулирование концентрации водки производится регулирующим клапаном на трубопроводе подачи раствора спирта. Контроль за концентрацией и водки осуществляется плотномером.

Останов производства водки осуществляется в следующем порядке: с помощью клапана на трубопроводе подачи воды в водонапорный бак прекращается ее подача, одновременно с помощью клапана на трубопроводе подачи спирта в напорный бак прекращается подача его из спиртохранилища . Останавливается насос подачи вводно-спиртовой смеси в напорный сборник. Останавливается узел фильтрации готовой продукции, узел очистки отработанного воздуха от примесей. Прекращается подача водки на розлив.

2.1.5 Режим “работа”

Рабочий режим описан в пункте 2.1

2.1.6 Аварийный режим

Аварийное состояние в цехе приготовления водки может возникнуть в случаях: нарушения технологического процесса, отключение электрической энергии, нарушение в снабжении воздухом для приборов КИПиА, а также нарушение герметичности оборудования и т.д.), сопровождающееся большим выбросом вводно-спиртовой смеси, пожаром, загазованностью, взрывом или другими явлениями, создающими опасность для работающих и ведущих к серьезному нарушению технологического режима или появлению брака.

При возникновении аварийного состояния предусмотрен переход СУ (системы управления) в аварийный режим и выполняются действия:

1 Регулирующим клапаном на трубопроводе прекращается подача спирта в напорный сборник.

2 Регулирующим клапаном на трубопроводе прекращается подача воды в водонапорнй бак.

3 Отключается питание насоса на подаче водки в напорный сборник водки.

4 Отключается подача воздуха КИП.

2.2 Анализ связей между параметрами технологического процесса

Параметры технологического процесса, их наименование и возможность контроля и регулирования представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.3 - Входные и выходные переменные для объектов

Входные переменные	Выходные переменные
Наимено-вание	Автомати-чески контроли-руемые	Возмож-ные управляю-щие воздейст-вия	С возмож-ностью стабилиза-ции	Наимено-вание	Автома-тически контро-лируемые
1	2	3	4	5	6
Сортировочный чан - Fс - Fводы - С % - Fсм.	+ - + -	+ - + -	+ - + -	Q L	+ +
Насос - Pна входе - n(число оборотов дв.) - (гидравл. сопр . линии)	- - -	- - -	+ + +	Fна выходе из насоса	-
Напорный сборник водки - Fвх - Fвых - С %	- - -	- - -	- - -	L	+
Трубопровод - Pна входе в труб. - Pна выходе в труб. - Значение гидравлического коэффициента трубопровода.	- - -	+ + -	+ + -	Fна выходе из труб.	-
Регулирующий клапан. - Pна входе - Pна выходе - Процент открытия клапана.	- - -	+ + +	+ + +	Fна выходе из клапана	+
Фильтр песочный - Ссм - Пар. фильтра. - Fг.п.(водки)	- - -	- + -	- - -	Q	-
Водонапорный бак - Fвх - Fвых	- -	+ +	+ +	L	+
Доводной чан - Fсм - Ссм - Fингр. - Сингр. - Fг.п.(водки)	- - + + -	- - + + -	- + + + -	Q L	+ +
Угольная колонна - Ссм - Пар. колонны. - Fг.п.(водки)	- - -	- + -	- - -	Q	-

2.2.1 Анализ предлогаемой системы управления

Состав предлогаемой системы управления представлен в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Состав существующей системы управления

Переменные	Контроль	Сигнали- зация	Регулиро-вание	Защита, блокиров-ка	Дистанци-онное управле-ние
	Авто-ма-тичес-кий режим	Руч-ной режим	Авто-мати-ческий режим	Ручной режим	Авто-мати-чес-кий режим	Ручной режим	Авто-мати-ческий режим	Ручной режим	Авто-мати-ческий режим	Ручной режим
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Сортировочный чан - Fс - Fводы - С % - Fсм. - Q(вых) - L	- - + - + +	- - - - + +	- - + - + +	- - - - - -	+ - + - + +	- - - - + +	- - - - + +	- - - - + +	+ - - - + +	+ - - - + +
Насос.  - Pна входе - n (число оборотов двигателя) - (гидравлическое сопр.линии) - Fна выходе из насоса	- - - -	- - - -	- - - -	- - - -	- - - -	- - - -	- - - -	- - - -	- - - -	- - - -
Трубопровод - Pна входе в труб. - Pна выходе в труб. -Значение гидравлического коэффициента трубопровода - Fна выходе из труб.	+ + - +	- - - -	- - - -	- - - -	- - - -	- - - -	- - - -	- - - -	- - - -	- - - -
Фильтр песочный - Ссм - Пар. ф.р.т. - Fг.п.(водки) - Q	- + - -	- - - -	- + - -	- - - -	- - - -	- + - -	- + - +	- - - -	- - - -	- + - -
Регулирующий клапан. - Pна входе - Pна выходе - Процент открытия клапана. - Fна выходе из клапана	- - + +	- - + +	- - - -	- - - -	- - + +	- - - -	- - - -	- - - -	- - + +	- - + +
Напорный сборник водки - Fсм - Fг.п.(водки) - Q - L	- - - +	- - - +	- - - +	- - - -	- - - +	- - - +	- - - +	- - - -	- - - +	- - - +
Доводной чан - Fсм - Ссм - Fингр. - Сингр. - Fг.п.(водки) - Q - L	+ - + - - + +	- - + + - + +	- - - - - + +	- - - - - - -	+ - + - - + +	- - - - - + +	- - + + - + +	- - - - - - -	- - + - - + +	- - + - - + +
Угольная колонна - Ссм - Пар. колонны. - Fг.п.(водки) -Q	- - - -	- - - -	- - - -	- - - -	- - - -	- + - -	- - - -	- - - -	- - - -	- + - -
Водонапорный бак - Fвх - Fвых -L	- - +	+ - -	- - +	- - -	+ - +	+ - +	- - +	- - -	- - +	- - +

2.2.2 Описание функционирования СУ в режиме «пуск-останов»

Пуск технологической линии производства водки осуществляться в следующей порядке:

1 Открывается клапан подачи спирта из спиртохранилища в напорный сборник (позиция 6).

2 Открывается клапан подачи воды в водонапорный бак (позиция 1).

Питьевая вода, прошедшая стадию очистки, поступает в сортировочный чан.

В сортировочном чане спирт разбавляется водой до концентрации 1:1,48 (40%).

3 Включается насос подачи вводно-спиртовой смеси (водки) из сортировочного чана (позиция 5) в напорный сборник водки (позиция 7), откуда самотеком проходит через фильтрационную батарею(позиции 8,9,10). Пройдя очистку, водка поступает в сборник готовой продукции (позиция 11), откуда готовая продукция отправляется на розлив.

Останов технологической линии производства водки осуществляться в следующей порядке:

1 Закрывается клапан на трубопроводе подачи воды в водонапорный бак прекращается ее подача.

2 Закрывается клапан на трубопроводе подачи спирта из спиртохранилища в напорный бак.

3 Останавливается насос подачи вводно-спиртовой смеси в напорный сборник. Останавливается узел фильтрации готовой продукции, узел очистки отработанного воздуха от примесей. Прекращается подача водки на розлив.

2.2.3 Работа СУ в «рабочем» режиме

Целевой функцией СУ в рабочем режиме является поддержание основных управляемых параметров технологического процесса в требуемых пределах для получения продукции заданного качества.

Состав контролируемых и регулируемых параметров с величинами, указаны в таблице 2.2.

В рабочем режиме данная система управления осуществляет:

- контроль и регулирование уровня в баке водонапорном, в сборнике умягченной воды, в сортировочном чане, в баке со спиртом, в напорном сборнике водки и в доводном чане в требуемых пределах датчиком гидростатического давления Метран-43-E_x-ДГ;

- контроль и поддержание в заданном значении плотности вводно-спиртовой смеси (водки) в сортировочном и доводном чане плотномером Micro Motion;

- контроль и поддержание в заданном значении температуры вводно-спиртовой смеси в сортировочном чане осуществляется термопреобразователем ТСМУ-205E_x;

- контроля избыточного давления водки, воды в трубопроводе используется датчик с унифицированным выходным сигналом Метран-43-Ех-ДИ;

- расход водки, воды, раствора соли с применением в качестве датчика диафрагмы камерной ДКС 0,6-50 и преобразователя разности давлений Метран-43-Ех-ДД.

2.2.4 Работа СУ в аварийном режиме

При возникновении аварийного состояния предусмотрен переход СУ (системы управления) в аварийный режим и выполняются действия:

1 Регулирующим клапаном на трубопроводе прекращается подача спирта в напорный сборник.

2 Регулирующим клапаном на трубопроводе прекращается подача воды в водонапорнй бак.

3 Отключается питание насоса на подаче водки в напорный сборник водки.

4 Отключается подача воздуха КИП.

2.2.5 Недостатки существующей СУ в режиме “пуск-останов”

При запуске и останове технологического оборудования цеха приготовления водки существуют следующие недостатки:

1 Продолжительное время занимает настройка расходов смеси спирта с водой подающихся в сортировочный чан для получения необходимой концентрации 40%;

2 Значительное время останова технологического процесса производства водок (т.к. останов производится поэтапно см. пункт 2.1.1).

2.2.6 Недостатки существующей СУ в “рабочем” режиме

1 Отсутсивие контроля давления на выходе и входе песочного фильтра, а также грубой и тонкой очистк;

2 Отсутствие контроля и регулирования расходов воды и раствора соли проходящих через фильтр Na-катионовый (что приводит к перерасходу раствора соли)

3 Метрологичесая недостаточность (не высокий класс точности, значительный предел допускаемой основной погрешности по сравнению с современными приборами)

2.2.7 Недостатки существующей СУ в “аварийном” режиме

При возникновении аварийных ситуаций производится поэтапная остановка, что приводит к значительному времени останова технологического процесса производства водок по причине отсутствия автоматических блокировок на трубопроводах подачи спирта в напорный бак и смеси спирта и воды в сортировочный чан.

2.3 Вывод и задачи проекта

Анализ существующей СУ проводился с целью выявления (поиска) путей повышения качества выпускаемой продукции, снижения себистоимости, повышения уровня управляемости и автоматизации технологического процесса.

В результате анализа объекта автоматизации выявлены такие проблемы как не контролирование давления в трубопроводе перед песочным фильтром (позиция 1), грубой (позиция 8), тонкой очистки (позиция 10) и за ними, с целью контроля их состояния; расхода воды и раствора соли проходящих через Na-катионовый фильтр (что приводит к перерасходу необходимого раствора соли для промывки Na-катионового фильтра), а также “моральный” износ технических средств автоматизации.

Модернизация должна быть проведена с использованием современных зарубежных и отечественных средств автоматизации: контроллеров, датчиков, преобразователей, исполнительных устройств.

Предполагается в ходе модернизации системы управления осуществить установку датчиков: давления с унифицированным выходным сигналом Метран-43-Ех-ДИ на трубопроводе перед песочным фильтром (позиция 1), грубой (позиция 8), тонкой очистки (позиция 10) и за ними; для контроля и регулирование уровня в баке водонапорном, в сборнике умягченной воды, в сортировочном чане, в баке со спиртом, в напорном сборнике водки и в доводном чане в требуемых пределах применить датчик гидростатического давления Метран-43-E_x-ДГ; для контроля и поддержания в заданном значении плотности вводно-спиртовой смеси (водки) в сортировочном и доводном чане применить плотномер Micro Motion; для контроль и поддержание в заданном значении температуры вводно-спиртовой смеси в сортировочном чане оприменить термопреобразователь ТСМУ-205E_xдля контроля и регулирования в системе управления расхода водки, воды, раствора соли применить в качестве датчика диафрагму камерную ДКС 0,6-50 и преобразователь разности давлений Метран-43-Ех-ДД.

Система управления должна обеспечивать управление технологическим процессом как в ручном (местном), так и в автоматическом. Причем в автоматическом режиме управление должно быть двух уровневым, с отражением в реальном масштабе времени динамики ТП (технологического процесса) на маниторе оператора и записью всех контролируемых параметров в базу данных для архивации и предварительного просмотра (в случае необходимости)

Для контроля и управления технологическим процессом применяется многофункциональный контроллер Simatic S7-400, что позволяет использовать ЭВМ для отображения информации о параметрах процесса вместо щита КИПиА.

В целом создание АСУТП позволит:

- повысить качество регулирования процессом;

- обеспечить обслуживающий персонал достоверной информацией о состоянии оборудования, о ходе технологического процесса и хранить её;

- модернизировать существующую систему управления;

- обеспечить выполнение технологического регламента;

- уменьшить затраты на расход раствора соли;

- улучшить условия труда обслуживающего персонала.

2.4 Обоснование приятой структуры управления технологическим объектом

Предлагаемая система предусматривает создание двухуровневой системы контроля и управления технологического процесса.

Первый уровень технических средств включает в себя датчики, исполнительные устройства, контроллер с УСО. Датчики имеют унифицированный токовый сигнал 4-20мА, что позволяет подавать сигнал с датчика на контроллер без использования дополнительных преобразователей.

В качестве микропроцессорного устройства сбора и обработки информации применен микропроцессорный контроллер фирмы Simens Simatic S7-400, который обеспечивает прием аналоговых и дискретных сигналов от первичных датчиков и преобразователей, передачу данных сигналов центральной рабочей станции и управление исполнительными устройствами.

Ко второму уровню технических средств относится рабочая станция, реализующая функции контроля работы и состояния основного оборудования, вывода информации о состоянии технологических объектов и параметров процесса на экран монитора, накопления и передачи данных. Передача данных осуществляется посредством локальной вычислительной станции. Контроллер объединены с центральной рабочей станцией в локальную единую вычислительную сеть топологии «общая шина» (рисунок 2.1)

В системах с топологией общая шина сетевые адаптеры подключены параллельно к единственному каналу связи. Управление шиной распределенное. При распределенном управлении все подключенные станции считаются равноправными и распределяют канал с помощью специальной процедуры-метода множественного доступа.

Достоинства сети с топологией «общая шина»:

- небольшие затраты на кабель;

- рабочие станции в любой момент времени могут быть установлены или отключены без прерывания работы всей сети;

- рабочие станции могут коммутироваться друг с другом без помощи сервера.

Недостатки сети с топологией «общая шина»:

- при обрыве кабеля выходит из строя весь участок сети от места разрыва;

- возможность несанкционированного доступа к сети, поскольку для увеличения числа рабочих станций нет необходимости в прерывании работы всей сети.

В целом система предусматривает следующие виды управления:

1 Супервизорное - центральная рабочая станция используется для воздействия на регулирующие контроллеры для запуска, останова оборудования, регулирования уставок, отображения и хранения информации технологических параметров.

2 Автоматическое - при использовании микропроцессорных контроллеров в качестве непосредственных элементов контроля и управления.

3 Ручное (дистанционное).

Рисунок 2.1 - Структура управления технологическим объектом.

2.5 Обоснование выбора технических средств АСУТП

При выборе наиболее предпочтительного варианта технических средств для системы, учитывают основные требования:

- технологические;

- системные;

- экономические;

- монтажно-эксплуатационные и др.

Технологические требования:

- по виду измеряемого параметра;

- по величине параметра;

- по характеру измеряемой среды (жидкость, газ, суспензия);

- по характеру взрывозащищенности (есть, нет);

- по месту установки прибора или отборного устройства;

- по размещению объекта (расстояние от места установки датчиков, преобразователей и исполнительных механизмов до пунктов контроля и управления с учетом прокладки импульсных и командных линий)

При выборе технических средств ориентировались на серийно выпускаемые, стремились к применению однотипных средств ГСП, входящих в состав локальных систем автоматического контроля, регулирования и управления.

1) Измерение температуры в сортировочном чане (позиция 12-1). Среда жидкая (не агрессивная). Пределы изменения температуры : 5...40 ⁰С. Для обеспечения требуемого качества продукта необходимо измерение с допускаемой основной погрешностью не менее 1,5%. Из предлогаемых на рынке измерительных средств наиболее отвечает требованиям ТП ТСМУ - 205 - Ex, т.к. он предназначен для преобразования температуры твердых, жидких и газообразных сред, имеет диапазон преобразуемых температур от -50 до +50 ⁰С; предел допускаемой основной погрешности 0,25%; приспособлен для следующих климатических условий:

- атмосферное давление 630-800 мм рт.ст.;

- относительная влажность до 95%;

- рабочая температура окружающей среды от -50 до 70⁰С.

Имеет взрывозащищенное исполнение (искробезопасная электрическая цепь по ГОСТ 22782.5), что соответствует для данного технологического процесса. Кроме того характеризуется достаточно большим средним сроком службы - 12 лет.

2) Регулирование уровня в водонапорном баке, в сборнике умягченной воды, в сортировочном чане, в баке со спиртом, в напорном сборнике водки и в доводном чане (позиции 1-1,9-1,11-1,13-1,14-1,23-1). Среда - жидкая (не агрессивная). Выбран Метран - 43 - Ех - ДГ с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА т.к. он предназначен для работы в системах контроля и регулирования жидких сред , в т.ч. пищевой промышленности, резервуарах, емкостях. Применяется для измерения температур измеряемых сред -40...120⁰С; имеет не большой предел основной погрешности 0,25%; обеспечивает измерение в заданных пределах; имеет взрывозащищенное исполнение, климатическое исполнение УХЛ3.1,что соответствует для данного технологического процесса. Кроме того обладает высокой надежностью(средняя наработка датчиков на отказ 10000 ч).

3) Измерение концентрации вводно-спиртовой смеси в сортировочном чане и доводном чане (позиция 10-1,22-1). Среда - жидкая (не агрессивная). Концентрация 1:1,48 (40%) Для обеспечения требуемого качества готового продукта (водки) необходимо измерение с высокой степенью точности. Выбран Micro Motion- кориолисовый плотномер (расходомер), который обеспечивает прямое измерение с погрешностью 0,1%, что делает их самым точным в мире массовыми расходомерами. Нет ограничений на состав, вязкость и характер измеряемой среды. Диапазон рабочих температур -50...150⁰С. Имеет динамический диапазон до 1:80; имеется взрывозащищенное исполнение, что соответствует данному технологическому процессу.

4) Измерение давления в торубопроводе (позиции 2-1,3-1,4-1,15-1,16-1,17-1,18-1,19-1,20-1) Среда - жидкая (не агрессивная). Максимальное давление среды 0,5 МПа. Выбран Метран - 43Ф - Ех - ДИ с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА. Который обеспечивает измерение среды в заданном диапазоне (не выше 1,6 МПа); имеет взрывозащищенное исполнение, климатическое исполнение УХЛ3.1; средняя наработка на отказ 10000ч. допускаемая основная погрешность 0,25%.

5) Измерение расхода водно-спиртовой смеси, раствора соли и воды выбраны диафрагмы ДКС (позиции 5-1,6-1,7-1,8-1,21), - Метран - 43Ф - Ех - ДД (позиция 5-2,6-27-3,8-3,21-2) с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА. Применяются для измерения сред: жидкость, пар, газ; обеспечивает измерение в заданном пределе; имеет взрывозащищенное исполнение, допускаемая основная погрешность 0,25%; климатическое исполнение УХЛ3.1.

6) Для питания стабилизированным напряжением датчиков давлений серий Метран - E_X, датчиков температуры типа ТСМУ- E_X с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА и с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» выбраны блоки питания БПД-40-E_X (двух канальный позиции 1-2,3-2,9-2,11-2,13-2,16-2,18-2,20-2,22-3) и блоки питания и корнеизвлечения БПК-40-E_X (одноканальный поиции 5-3,6-3,7-4,8-4,21-3). Диапазон изменения входного сигнала 4-20мА; диапазон изменения выходного сигнала 4-20мА; предел допускаемой основной погрешности 0,1%. Кроме того характеризуются высокой степенью надежности - средняя наработка на отказ на каждый канал не менее 120000 ч.

7) Для преобразования унифицированного непрерывного сигнала постоянного тока в унифицированный пропорциональный пневматический аналоговый сигнал выбран электропневматический ЭП-1324 (позиции 1-3,5-4,6-4,7-5,8-5,9-3,10-3,11-3,13-3,14-2,21-4,22-4,23-2), который также удовлетворяет требованиям данного технологического прцесс, а именно: преобразователь является пылеводазащитным и предназначен для применения во взрывоопасных зонах (взрывозащищенное исполнение), класс точности 0,5; входной сигнал 4-20мА; выходной сигнал 0,02-0,1МПа.

8) В качестве исполнительного механизма выбран МИМ ЕСПА 04; командный сигнал от 0,02-0,1 МПа; давление питания 0,014 МПа; для работы в не агрессивных средах; диаметр условного прохода 50 мм, нормально закрытого исполнения, что необходимо для данного технологического процесса.

В настоящее время для автоматического управления ТП различных предприятий применяются системы с использованием различных технических средств автоматизации. Так в качестве управляемых программируемых средств используются контроллеры фирм Siemens, Simatic S7-200-600L, Advantech, Teleperm и т.д.

По своим сетевым возможностям, мощности в локальных системах автоматического контроля, регулирования и управления широкое применение находит контроллер - Simatic S7 - 400.

Программируемый контроллер S7 - 400 является свободно программируемой системой управления с памятью задач малой и средней сложности. Он удовлетворяет всем требованиям, которые предъявляются к современным системам автоматизации.

Simatic S7 - 400 построен по модульному принципу, причем различные функции автоматизации реализованы в нем с помощью различных модулей. То есть, собран S7 - 400 полностью приспособленный к данному технологическому процессу.

Отдельными его компонентами являются:

источник питания;

модуль источника питания;

центральный модуль;

модули ввода/вывода;

модули преобразовательной обработки сигналов;

коммуникационные процессоры.

SM 421, SM 422 - модули ввода и вывода дискретных сигналов предназначены для преобразования входных дискретных сигналов контроллера в его внутренние логические сигналы, и наоборот. Модули выпускаются в пластиковых корпусах. На их лицевых панелях установлены зеленые светодиоды, индицирующие состояние входных цепей; красный светодиод для индикации отказов и ошибок; расположена защитная крышка, на которую наносится маркировка входных цепей. Модули устанавливаются в стойку и фиксируются на своих местах винтами. Наличие фронтальных соединителей озволяет производить замену модулей без демонтажа внешних цепей. При первой установке фронтального соединителя на модуль автоматически выполняется его механическое кодирование. В дальнейшем фронтальный соединитель может быть установлен только на модули такого же типа, что исключает возможность возникновения ошибок при замене модулей.

SM 431 - модули ввода аналоговых сигналов предназначены для аналого-цифрового преобразования входных аналоговых сигналов контроллера. Модули выпускаются в пластиковых корпусах. На лицевых панелях модулей установлены фронтальные соединители с механической кодировкой, а также маркировочные полосы и их защитные покрытия. Модули устанавливаются в стойку и фиксируются на своих местах винтами. Наличие фронтальных соединителей позволяет производить замену модулей без демонтажа внешних линий связи. Модули могут настраиваться на работу с разрешающей способностью от 13 до 16 бит, на различные пределы изменений входных сигналов, формирование запросов на прерывание при достижении предельных значений входных сигналов. Модули доступны для диагностики. При первой установке фронтального соединителя на модуль автоматически выполняется его механическое кодирование. В дальнейшем фронтальный соединитель может быть установлен только на модули такого же типа, что исключает возможность возникновения ошибок при замене модулей. Выбор пределов измерений (сигналы силы тока, напряжения, термопар и т.д.) производится с помощью карт выбора пределов измерений, которые входят в комплект поставки модулей. Более точная настройка выполняется программно.

SM 432 - модули вывода аналоговых сигналов предназначены для цифро-аналогового преобразования внутренних сигналов контроллера и формирования выходных аналоговых сигналов. Модуль имеет 8 аналоговых выходов. Напряжение питания модуля 24В, разрешающая способность от 13 до 16 бит, время преобразования 420 мкс на канал.

Источник питания Sitop. Преобразует из сетевого напряжения 220 В переменного тока в рабочее напряжение 24 В постоянного тока.

Модуль источника питания PS - 407. Преобразует из сетевого напряжения 120/220 В переменного тока или 24 В постоянного тока рабочее

напряжение для ПК и подпитывает RAM от батареи при отключенном напряжении питания. Кроме того, выполняет функции контроля напряжения и выдачи сообщения.

Модуль центрального процессора (CPU) считывает информацию о состоянии сигналов на входах, выполняет программу управления и устанавливает сигналы на выходах. Программу управления можно вводить в CPU через программатор или через модуль памяти. CPU является мозгом программируемого контроллера. Оно выполняет программу управления. В зависимости от мощности задачи управления, которая перед контроллером Simatic PCS7 - 400 выбран центральный процессор CPU 416-2 DP.

Модули входов/выходов являются интерфейсами, узлами связи датчиков и исполнительных механизмов с системой управления. Модули вх./вых. в Simatic PCS7 - 400 дают пользователю возможность удобного управления с помощью

быстрого монтажа, механического кодирования и достаточного места для надписи на разъемах модулей.

Цифровые модули соответствуют уровням напряжений и токов установки (т.е. не нужно предоставлять контроллеру необходимые уровни, Simatic PCS7 - 400 сам подстраивается под уровни напряжения и токов машины). Цифровые модули с помощью удобной техники подключения предоставляют возможность подключения сигнальных кабелей через передний разъем и две возможности подключения на выбор - либо винтовые зажимы, либо пружинные зажимы.

Цифровые модули входов подключают цифровые сигналы и согласуют их с внутренним уровнем сигналов PCS7 - 400.

Для быстрого счета последовательностей импульсов, получения и обработки инкрементов пути, измерение скорости и времени, регулирования и позиционирования и многих других задач, являющихся критичным по времени использованы модули предварительной обработки сигналов IP.

Гибкость системы управления имеет большое значение для производительности машин. Для достижения максимальной гибкости при решении комплексных задач управления, системы разделены на несколько децентрализованных устройств. При этом имеются небольшие системы управления. То есть легче проектировать, эксплуатировать, диагностировать, обслуживать, изменять и одновременно, видеть полностью весь процесс. Можно полнее использовать свою установку, т.к. при выходе из строя одного из устройств оставшаяся часть может работать.

Основу технического обеспечения АСУ ТП составляют средства вычислительной техники .В зависимости от объема решаемых задач и характеристик технологического объекта управления применяется ЭВМ, имеющие большое быстродействие и объем памяти, и развитую систему связи с оперативным персоналом.

2.6 Предложения по использованию операционной системы, программных модулей и пакетов прикладных программ

В проекте предлогается использование сетевой операционной системы Microsoft Windows NT 4.0 с шестым Service Pack (дополнениями и исправлениями). К достоинствам этой операционной системы относятся:

- новая файловая система NTFS работает быстрее, чем другие, а также имеет возможность к восстановлению данных при сбое;

- безопасность Windows NT от внешних вмешательств (для идентификации пользователя требуется ввести имя пользователя и пароль, причем у каждого пользователя есть свой бюджет, что также является гарантией от несанкционированного доступа);

- сетевой протокол обмена TCP/IP позволяет домену Windows NT работать сетям ProfiBus, Industrial Ethernet с высокой скоростью передачи данных, что позволяет отслеживать технологический процесс в режиме реального времени.

- Windows NT поддерживает мультипроцессорные сервера и рабочие станции.

В проекте для работы с контроллером на ПЭВМ (контроля, управления и регистрации данных технологического процесса) предлагается использовать SCADA-систему WinCC, совместный проект фирм Siemens и Microsoft, разработанный специально для промышленных логических контроллеров, в частности и для Simatic.

WinCC - это открытая система визуализации процессов, которая находит применение почти во всех отраслях. WinCC состоит из модулей, может гибко расширяться и делает возможными как простые однопользовательские применения в машиностроении, так и сложные многопользовательские решения и даже распределенные системы с несколькими серверами и мультиклиентами в сложных промышленных системах.

WinCC поддерживает многообразие способов проектирования и при этом открыт так, что ничто не препятствует индивидуальной разработке проектов и изображений. Благодаря этому проекты и изображения, которые могут быть разработаны на основе WinCC, очень разнообразны и могут быть использованы для непосредственного изображения машин путем визуализации установки и вплоть до очень сложных технологических процессов с соответствующими изображениями.

С помощью WinCC имеется возможность проектировать визуализацию нейтрально не только по отношению к технологии, но и по отношению к отрасли, т.е. объединить в одной системе автоматизацию производства и процессов.

Простота и прозрачность в капиталоемких производственных установках означают меньшие затраты на проектирование, меньшие затраты на обучение, большая гибкость персонала, большая безопасность обслуживания. SIMATIC WinCC всему этому удовлетворяет. Совместно с другими компонентами SIMATIC система имеет, кроме того, в своем распоряжении такие дополнительные функции, как диагностика и обслуживание процесса - новое направление в визуализации. Само собой разумеется, что при проектировании таких функций между собой взаимодействуют все инструментальные средства для проектирования SIMATIC.

WinCC предоставляет все основные функциональные возможности для визуализации и управления процессом. С этой целью WinCC предоставляет в распоряжение ряд редакторов и интерфейсов, с помощью которых эти функции могут быть индивидуально спроектированы для любого приложения. Кроме того она обладает следующими достоиствами:

1) Использование новаторских программных технологий.

WinCC основывается на новейших разработках и методах в области программного обеспечения. Тесное сотрудничество с Microsoft гарантирует, что пользователь спокойно может ожидать нововведений и в будущем.

2) Встроены все функции мощной системы визуализации.

Уже базовая система WinCC предоставляет все компоненты и функции, которые необходимы для решения также и сложных задач визуализации. Редакторы для создания изображений, сценариев, аварийных сообщений, графиков, отчетов являются фиксированной составной частью системы WinCC.

3) Масштабирование от простых до сложных задач. WinCC - это модульный и гибко расширяемый блок автоматизации для простых применений в машиностроении вплоть до сложных многопользовательских приложений или даже распределенных систем с несколькими серверами в сложных промышленных системах.

4)Расширяемость через специфические для отраслей и технологий опции и дополнения.

На основе открытых программных интерфейсов уже разработаны различные дополнительные пакеты WinCC, которые покрывают многообразные отраслевые и специальные технологические потребности, например, для водного хозяйства.

5) Встроенная база данных ODBC / SQL.

В WinCC встроена стандартная база данных Sybase SQL Anywhere, в которой хранятся все списковые данные проектирования и процесса. Доступ к базе данных WinCC возможен без всяких проблем с помощью языка структурированных запросов к базе данных SQL или через драйвер ODBC. Через эти способы доступа WinCC открывает свои данные, например, другим программам и базам данных Windows и полностью встраивается в концепцию завода или предприятия.

6) Высокопроизводительные стандартные интерфейсы, например, OLE, ActiveX, OPC.

Такие стандартные интерфейсы, как DDE и OLE для обмена данными между программами Windows являются такими же обязательными составными частями WinCC, как и беспроблемное встраивание управляющих элементов ActiveX и функциональных возможностей среды клиент-сервер OPC.

7) Универсальный язык сценариев.

Сценарии WinCC создаются с помощью стандартного языка программирования ANSI-C.

8) Открытый прикладной программный интерфейс API с доступом к функциям и данным WinCC. Все модули WinCC снабжены открытым интерфейсом для программирования на языке С (C-API). Благодаря этому в программу пользователя могут быть встроены как функции проектирования WinCC, так и исполняемые функции.

В среде WYSIWYG в распоряжении проектировщика наряду с простыми диалогами, ассистентами (мастерами) имеются также обширные библиотеки.

10) Каналы связи с контроллерами всех известных производителей.

В объем поставки WinCC входят все существенные каналы связи для подключения к устройствам управления SIMATIC S5/ S7/ 505, а также такие каналы, как ProfiBus DP, DDE и OPC. Кроме того, имеется множество каналов связи, содержащихся в качестве опций или дополнений.

Для программирования применяется язык программирования STEP7.

STEP7 пакет программного обеспечения предназначен для конфигурирования, определения коммуникаций, программирования, тестирования и обслуживания, документирования и архивирования созданных проектов для программируемых логических контроллеров SIMATIC S7, M7, C7. Данный пакет является частью стандартных инструментальных средств, он может быть дополнен инжиниринговыми пакетами, облегчающими пользователю работу над сложными проектами.

STEP7 пакет базового программного обеспечения для программируемых контроллеров SIMATIC S7 / M7 / C7. STEP7 имеет дружественный интерфейс для всех фаз проектирования системы автоматизации. STEP7 также решает много задач, которые до этого должны были выполняться "вручную". STEP7 (как STEP5) является частью стандартного программного обеспечения предустановленного на программаторы PG 720/720C, PG 740, и PG 760. Он также доступен как пакет программ для ПК (Windows 95 / NT), при этом необходимы: плата CP5611 или адаптер для PC. STEP7 базовый пакет предоставляет пользователю различные инструменты для воплощения его проекта:

* SIMATIC Manager - для коллективного управления с легким обзором всех инструментальных средств и данных для SIMATIC S7, SIMATIC C7 и

SIMATIC M7. Все инструменты автоматически вызываются из SIMATIC Manager.

* Symbol Editor - для определения символических обозначений, типов данных, и комментариев для глобальных переменных. Символьные обозначения доступны во всех во всех приложениях.

* Hardware Configuration - для программного конфигурирования аппаратного обеспечения системы автоматизации и для параметризации всех модулей. Все вводимые параметры проверяются на допустимость.

* Communication - для задания управляемой по времени циклической передачи данных между компонентами автоматизации через MPI или для управляемой событиями передачи данных через MPI, PROFIBUS или Industrial Ethernet.

* System diagnosis - предоставляет пользователю обзор состояния контроллера.

* Information functions - для быстрого обзора данных CPU и поведения написанной пользователем программы.

* Документирование - предоставляет пользователю функции документирования всего проекта.

* Редактор программ - для создания программы пользователя, STEP7 предлагает редактор программ, содержащий следующие языки программирования, отвечающие стандарту EN 61131-3: Statement List (STL); Ladder Diagram (LAD); Functions Block Diagram (FBD) Более того, для специальных задач могут использоваться дополнительные языки программирования высокого уровня или ориентируемые на технологию. STEP7 содержит все пользовательские программы и все данные в блоках. Возможность вызова, внутри одного блока других блоков, как если бы они были подпрограммами, делает возможным структурирование программы пользователя.