Системы автоматизации технологического процесса

В нелинейных контурах регулирования динамический коэффициент передачи изменяется прямо или обратно пропорционально изменению амплитуды колебаний. В случае прямой зависимости малые возмущения гасятся в меньшей степени, чем большие. Устойчивость работы такого контура обусловливается величиной произведения его коэффициента передачи на амплитуду возмущающего воздействия. Если коэффициент передачи такого контура превышает 1, то последний будет совершать незатухающие колебания.

В случае обратно пропорциональной зависимости коэффициента передачи контура от амплитуды небольшие колебания будут усиливаться, а значительные -- уменьшаться. При этом амплитуда колебаний контура станет постоянной и коэффициент передачи достигнет единицы. Колебания с такой амплитудой называют предельными. Амплитуда предельных колебаний зависит от коэффициента передачи регулятора.

При исследовании контура, содержащего нелинейный элемент, используют диаграмму «вход--выход». Она представляет собой график изменения динамических коэффициентов передачи объекта и регулятора в течение одного периода колебаний контура регулирования. Кривая изменения регулирующего сигнала является как бы волной, образованной отражением сигнала от статических характеристик поочередно объекта и регулятора .

Амплитуда предельных колебаний контура в общем случае зависит от коэффициента передачи объекта регулирования при периоде его собственных колебаний. Определив этот коэффициент, можно построить диаграмму «вход--выход» или диаграмму изменения амплитуды колебаний в зависимости от коэффициента передачи, а затем найти амплитуду предельных колебаний.

Нелинейные элементы бывают трех типов. К первому типу относятся элементы с непрерывной нелинейной функцией, в качества примера которой можно привести кривую рН, характеристику перемещения плунжера регулирующего клапана; ко второму -- элементы с кусочно-ломаной функцией, например элементы систем регулирования, работающие в режиме насыщения; к третьему -- элементы, обладающие динамической нелинейностью, у которых сдвиг по фазе и величина коэффициента передачи изменяются при изменении амплитуды входного сигнала. К последней разновидности относятся также элементы с гистерезисной характеристикой.

Из динамических элементов наиболее распространены элементы со статической характеристикой, имеющей гистерезис.Такая характеристика наблюдается, например, у регулирующих клапанов из-за наличия сил трения при перемещении штока, а также в устройствах релейного типа. Величина гистерезиса в регулирующих клапанах определяется изменением выходного сигнала регулятора, необходимого для перемены направления движения штока. На изменение амплитуды и периода колебаний контура регулирования в большей степени влияют инерционные свойства объекта, чем гистерезиса. Следовательно, контур регулирования будет устойчивым, если диапазон пропорциональности регулятора настроен так, что амплитуда колебаний выходного сигнала регулятора достаточно велика, поэтому коэффициент передачи такого контура должен быть больше 1.

Гистерезис может быть уменьшен формированием выходного сигнала регулятора большой амплитуды и высокой частоты. С этой целью при пропорциональном регулировании параметра в замкнутом контуре с элементом гистерезиса на клапанах устанавливают позиционер.

Позиционер представляет собой П-регулятор с большим коэффициентом передачи; вместе с приводом клапана, обладающим инерционным запаздыванием и гистерезисом, он образует дополнительный замкнутый контур. Позиционеры применяют для улучшения работы клапана, используя дополнительную энергию. Позиционер воздействует на привод клапана до момента установки штока в положении, соответствующем входному сигналу; при этом легко преодолевается сопротивление, препятствующее перемещению штока.

Перемещение штока зависит от силы трения и силы, возникающей от перепада давления. Силы трения обусловливают гистерезис, который при сочетании в контуре двух интегрирующих элементов (например, объекта с регулированием уровня жидкости и ПИД-регулятора) может привести к незатухающим колебаниям. Однако даже при наличии гистерезиса использование позиционера приводит к уменьшению фазового сдвига, вызванного работой основного контура.

Большой перепад давления на мембране клапана позволяет легко удерживать шток клапана в любом положении, в том числе в положениях полного открытия и полного закрытия.

Период собственных колебаний клапана с позиционером составляет 0,5--2,0 с, в зависимости от размеров клапана. Быстродействие клапана, снабженного позиционером, значительно возрастает, но при регулировании расхода оно все же недостаточно. Если в системе регулирования клапан не является самым медленнодействующим элементом, применение позиционера полезно.

3. Синтез систем автоматического управления технологическим процессом

3.1 Расчёт коэффициентов передаточной функции модели

Для расчета регулятора найдём эквивалентную передаточную функцию объекта по заводским данным:

V=3 (паровой паток);

L=0,59 м (поток жидкости в верхней части колоны);

b?1;

G_К=12.5 м³/ч( расход куба);

G_Д=70 м³/ч (расход дистиллята);

G_П расход питания

G_П= G_Д+ G_К

k1=4.887

k2=0.047

T1=45

T2=5

Следовательно, передаточные функции объекта имеют вид:

W1=4.877(359.1+1)/(521.5p+1)(347.6p+1)

W2=0.047/(521.5p+1)(347.6p+1)

постоянная времени объекта, под которой понимают время, в течении которого выходная величина достигла бы своего нового установившегося значения, если бы она изменялась с постоянной скоростью, равной скорости её измерения в начальный момент времени. При t=T0 выходная величина состовляет 63% нового установившегося значения. Постоянная времени объекта определяет его динамические свойства. Чем она больше, тем медленнее протекает переходный процесс в объекте, и наоборот.

3.2 Расчёт параметров элементов систем регулирования при использовании локальных АСР и её моделирование

Расчёт ПИ регулятора производится в системе MATCAD

Структурная схема ПИ регулятора будет иметь следующий вид:

Расчёт ПИ регулятора производится в системе MATCAD

После моделирования получили Кп=39.5, а Ти=3.4

Передаточная функция регулятора

Wрег=39.5+1/3.4p

Промоделируем систему без и с регулятором, используя приложение к математическому пакету MATLAB-Simulink:

Без регулятора:

С регулятором:



3.3 Расчёт параметров элементов систем регулирования при использовании многоконтурной АСР и её моделировании

Для следующей системы требуется рассчитать компенсатор по каналу воздействия:

требуется рассчитать компенсатор по каналу воздействия.

Для того чтобы добиться желаемого качества процесса управления или регулирования, т.е. требуемой точности системы и качества переходного процесса, есть два пути. Первый состоит в том, чтобы достигнуть этого путем изменения параметров данной системы, так как с изменением параметров меняются соответственно коэффициенты уравнения и частотные характеристики, а значит, и качество процесса.

Если же путем изменения не удается получить желаемый результат, то надо идти вторым путем- изменить структуру системы, вводя дополнительные звенья- корректирующие устройства.

Основная задача корректирующих устройств состоит в улучшении точности системы и качества переходных процессов. Однако наряду с этим путем введения корректирующих устройств можно решать и более общую задачу- сделать систему устойчивой, если она была без них неустойчивой, а затем и добиться и желаемого качества процесса регулирования.

Четыре основных вида корректирующих устройств.

1. Последовательные корректирующие устройства.

2. Параллельные корректирующие устройства.

3. Корректирующие устройства по внешнему воздействию.

4. Неединичная главная обратная связь.

Если относительно основной переменной, которая должна быть нечувствительна к возмущению, построить систему таким образом, что бы воздействие этого возмущения проходило как минимум через два канала, то в этом случае можно реализовать инвариантную систему относительно данного возмущения на эту переменную.

Внешние воздействия делятся на задающие, сигнал которых система должна воспроизводить, и возмущающие, действие которых нужно нейтрализовать. В нашем случае нужно скомпенсировать возмущающее воздействие.

Корректирующие устройства по возмущению.

Переходной процесс без компенсатора имеет вид:

Используя формулу для расчёта компенсатора, будем иметь:

Используя формулу для расчёта компенсатора, будем иметь:

Система с компенсатором:

Переходной процесс для общей системы:

Из графиков переходного процесса видно, насколько компенсатор устраняет возмущение.

Найдём интегральную квадратичную ошибку.

Остальные значения найдём из переходной характеристики системы:

Время регулирования -40сек.

Перерегулирование -8,72%

Статическая ошибка -0

Если мы будем иметь каскадную систему регулирования, то она будет иметь вид:

Так как в объекте существуют и другие объекты регулирования менее инерционные, то объект можно разделить на два нашем объекта, у первого регулируется уровень, а вторым концентрацию. Получим систему:



W2=k3/(Тоp+1)

k3=(F10*10)/(F0*Q0)=(7.296*0.2)/(12.836*0.15)=0.75

W2=0.75/(448,56p+1)

Сначала найдём регулятор для нашего объекта.(ПИ-регулятор)

Каскадная система будет иметь вид:

Сравним переходные процессы систем.

Синяя каскадная система регулирования

При сравнении видим преимущество каскадной системы.



3.4 Анализ влияния нелинейности и моделирование АСР

Анализ нелинейных систем проводится с помощью линеаризации. Все реальные системы изначально являются нелинейными; поэтому, когда мы используем линейную модель реальной системы, мы прибегаем к линеаризации того или иного свойства реальной системы. Таковы, например, модели электрических, содержащих сопротивления, индуктивность и емкость, систем.

Методы исследования нелинейных систем:

1) классический (метод фазовых траекторий в фазовых плоскостях);

2) линеаризация нелинейных характеристик

Анализ систем первым методом представляется неоправданно сложным и, попросту, нерациональным в данном случае. Основой второго метода является предположение о том, что система стационарна, с одной нелинейностью, и ей свойственны автоколебания, которые приближенно можно искать в синусоидальной форме( гармоническая линеаризация).

где а и w -- искомые амплитуда и частота колебаний.

Тогда передаточная функция нелинейного звена выглядит следующим образом:

Величины q и называется гармоническими коэффициентами усиления нелинейного звена.

Добавляем нелинейный элемент в рассчитанную систему:

График переходного процесса:

Система выходит на сигнал задания в пределах допустимой установившейся ошибки. Для дальнейшего анализа следует перевести систему в линейную область, воспользовавшись тем или иным способом линеаризации.

Исследуя нашу нелинейность, мы использовали методику экспериментального моделирования.

Проведём линеаризацию нелинейности с помощью приложения к пакету MATLAB - Simulink. Для этого воспользуемся блоками То Workspace, поставив их на вход и выход нелинейного элемента. Далее с помощью встроенной функции var - вариация - найдём приближённый коэффициент передачи:

K=var(b)/var(a).

Выполнив линеаризацию, получили коэффициент усиления

K=2,9876*10^(-8), что соответствует нашей нелинейности. Заменив нелинейность коэффициентом усиления, получаем систему вида:

Полученные переходные процессы, для системы с нелинейностью и с линеаризованной нелинейностью максимально подобны друг другу. Это показывает, что наша линеаризованная система подобна изначальной системе с нелинейностью.



3.5 Моделирование АСР с учетом отклонения характеристики РО от номинальной на 5% и 20% от номинальной

Переходные процессы:



4. Разработка схем автоматизации технологического процесса

4.1 Выбор ТСА

Унифицированный токовый сигнал (4-20 mA) поступает с первичных измерительных приборов и передается на контроллер. Для осуществления непрерывного регулирования технологическим процессом требуется получение текущих значений параметров, обеспечивающих заданное качество процесса. После проведенного анализа проводится заказ нужного оборудования (требуемого класса точности, класс опасности помещения, в котором будет эксплуатироваться оборудование).

Выбор технических средств автоматизации произведен с учетом следующих условий:

- сигналы дистанционной передачи (датчик - контроллер, контроллер - исполнительный механизм, технологический процесс - SCADA-система) должны быть унифицированными (предпочтительно токовый 4-20 мА);

- согласно технологическим требованиям должен быть определен допустимый класс точности приборов;

- класс защиты оборудования должен быть выбран в соответствии с классом помещения по взрыво- и пожароопасности.

С учетом того, что класс помещения - 1 по взрыво- и пожароопасности, соответственно выбираем оборудование соответствующей защитой, с возможностью использования в помещениях 1-го класса опасности (EEx).

Датчик перепада давления Метран-150 предназначен для измерения и непрерывного преобразования в унифицированный аналоговый токовый сигнал разности давлений.

Расходомер Rosemount серии 5300 предназначен для измерения объемного расхода жидких, газовых сред и пара путем определения частоты вихрей, образующихся в потоке измеряемой среды при обтекании тела специальной формы. Частота вихрей пропорциональна объемному расходу. Измеряемое значение преобразуется в унифицированный токовый выходной сигнал.

Расходомер Rosemount 350 применяется для измерения и учета расхода топлива. Измеряемый расход преобразуется в унифицированный токовый сигнал 4-20мА.

Термопреобразователь сопротивления ТХАУ Метран-271 предназначены для измерения температуры нейтральных и агрессивных сред. Измеряемая температура преобразуется в унифицированный выходной сигнал постоянного тока.

Таблица 3 - Подбор первичных преобразователей

Позиция	Контролируемый параметр	Тип прибора	Кол-во, шт.
1-1, 3-1, 4-1, 5-1, 8-1, 25-1, 18-1,12-1	Температура вверху колонны стабилизации, температура на 35-й тарелке, температура на 30-й тарелке, температура на 25-й тарелке, температура нижней части колонны стабилизации, температура стабильного бензина на выходе, температура на выходе из водяного холодильника №2	Термопреобразователь сопротивления ТХАУ Метран - 271 с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА.	8
6-1, 22-1, 19-1,	Расход острого орошения в колонну стабилизации, расход избытка острого орошения, расход стабильного бензина.	Расходомер Rosemount - 350 c выходным унифицированным сигналом 4-20 мА.	3
13-1,7-1	Давление в сборнике орошения, давление вверху колонны стабилизации.	Датчик давления Метран - 150 с выходным унифицированным сигналом 4 - 20 мА.	2
9-1, 10-1,15-1	Уровень внизу колонны стабилизации, уровень внизу колонны стабилизации, уровень острого орошения.	Уровнемер Rosemount - 5300 c выходным унифицированным сигналом 4 - 20 мА.	3
8-3, 9-3, 13-3,1-3, 7-3,19-3,15-3,12-3,18-3	Исполнительные механизмы		9

Основой конфигурирования ПЛК (выбор типа и количества модулей) является функциональная схема автоматизации. В нашем случае система автоматического управления процесса состоит из следующих контуров:

а) регулирования:

· регулирование температуры вверху колонны стабилизации (1 канал аналогового входа и 1 канал дискретного выхода);

· регулирование температуры внизу колонны стабилизации (1 канал аналогового входа и 1 канал дискретного выхода);

· регулирование уровня внизу колонны стабилизации (1 канал аналогового входа и 1 канал дискретного выхода);

· регулирование давления в сборнике орошения (1 канал аналогового входа и 1 канал дискретного выхода);

· регулирование температуры острого орошения на выходе из водяного холдильника №2 (1 канал аналогового выхода и 1 канал дискретного выхода);

· регулирование давления вверху колонны стабилизации (1 канал аналогового входа и 1 канал дискретного выхода);

· регулирование температуры стабильного на выходе из водяного холдильника №1 (1 канал аналогового выхода и 1 канал дискретного выхода);

· регулирование расхода стабильного бензин на выходе из водяного холодильника №1(1 канал аналогового выхода и 1 канал дискретного выхода)

б) контроля:

· температуры на 35-й тарелке колонны стабилизации(1 канал аналогового входа);

· температуры на 33-й тарелке колонны стабилизации(1 канал аналогового входа);

· температуры на 25-й тарелке колонны стабилизации(1 канал аналогового входа);

· уровня внизу колонны стабилизации(1 канал аналогового входа);

Врезультате имеем: 14 каналов аналогового ввода, 9 каналов дискретного вывода.

Таблица 4 _ Состав контроллера

Тип модуля	Характеристика	Описание
DVP16SP11T	max DO/DI - 16, максимально допустимый ток шины на постоянное напряжение 5В - 600 мА	Базовый дискретного ввода/вывода
DVP08DA-S	AI - 8, питание - 50 мА, занимаемые адреса ввода - 8.	Блок аналогового ввода
DVP08RT-S
	AО - 4, питание - 50 мА, занимаемые адреса ввода - 4.	Блок аналогового вывода

4.2 Щиты, кросс шкафы. Расчет теплового баланса шкафа управления

Все органы управления, выполняющие одну задачу, например пуск или остановку агрегата, должны перемещаться в одном и том же направлении, что особенно важно в аварийных режимах.

При размещении аппаратуры на фасадной стороне панели щитов и пультов надо учитывать глубину части приборов, которая выступает внутрь щита, расположение штуцеров и сальников для ввода электропроводки и присоединения трубных линий; кроме того, нужно обеспечивать удобный доступ к зажимам приборов и возможность открывания крышек на стенках их корпусов.

Приборы и аппаратуру на фасадных сторонах панелей щитов рекомендуется устанавливать на следующей высоте от основания щита, мм: показывающие приборы и сигнальную арматуру 800-1100мм, самопишущие приборы на щитах управления без приставных пультов 900-1600мм, на щитах управления с приставными щитами 1100-1600 мм, на щитах декоративного назначения (щиты регистраторов, учетные щиты) 700-2000мм, вспомогательную аппаратуру контроля и управления переключатели, ключи, кнопки управления) 900-1000мм, мнемонические схемы 1000-2000мм и выше.

При размещении приборов учитывают их конструктивные особенности. Например, приборы с ножевидной стрелкой (обычно милливольтметры) не следует устанавливать на высоте более 1800 мм, ибо в противном случае нельзя будет снимать результаты показаний. Комбинированные приборы, имеющие отсчетное устройство нескольких видов, устанавливают на уровне, обеспечивающем пользование наиболее удаленным отсчетным устройством. Регуляторы должны быть размещены с учетом удобного доступа к их настроечным устройствам.

Аппаратуру управления и переключатели измерительных цепей приборов располагают на пульте учитывая следующие требования: часто используемые органы управления (ключи, переключатели, кнопки управления) надо размещать в наиболее удобном и доступном для оператора месте;

Аппараты управления и переключатели измерительных цепей следует устанавливать на одной линии с контрольными приборами и сигнальными устройствами, с которыми они функционально связаны; управляющие органы одной системы управления рекомендуется группировать в одном месте;

Рамки с надписями, показывающими назначения аппаратов и производимые действия («Включено», «Выключено», «Автоматическое», «Ручное»), должны находиться в непосредственной близости от органов управления и переключателей измерительных цепей.

Был выбран шкаф автоматизации Альтера EU-2086.

Габариты, мм (высота, ширина, глубина) 2000х800х600;

Количество DIN-реек: 6;

Толщина стенок: 0,9 мм.



4.3 Расчет теплового баланса щита управления

В области систем микроклимата для шкафов действуют несколько стандартов: IEC 60 890 (ранее МЭК 890), EN 60 814, DIN 57660 часть 500, VDE 0660 часть 500, являющиеся по сути одной и той же нормой, принятой разными институтами. Эти стандарты унифицируют принцип расчёта теплообмена шкафа.

Считается, что единственным способом теплообмена шкафа с окружающей средой является естественная конвекция. Следовательно, принципиально важным является понятие эффективной площади теплообмена шкафа. Очевидно, что способ установки шкафа: свободно стоящий, у стены, в нише -- радикально влияет на теплообмен шкафа. Стандартом предусмотрена классификация типов установки шкафов и указана формула для расчета эффективной площади теплообмена А для каждого случая (табл. 1). В приведённой таблице использованы следующие обозначения:

W -- ширина шкафа, м;

H -- высота шкафа, м;

D -- глубина шкафа, м.

Далее для расчётов будут использоваться следующие переменные и параметры:

Формулы для расчёта параметра А

Тип установки	Формула для расчёта А, м2
Один шкаф, свободно стоящий	A = 1,8·H · (W + D) + 1.4 · W · D
Один шкаф, монтируемый на стену	A = 1,4 · W · (H + D) + 1,8 · D · H
Крайний шкаф свободно стоящего ряда	A = 1,4 · D · (H + W) + 1,8 · W · H
Крайний шкаф в ряду, монтируемом на стену	A = 1,4 · H · (W + D) + 1,4 · W · D
Не крайний шкаф свободно стоящего ряда	A = 1,8 · W · H + 1,4 · W · D + D · H
Не крайний шкаф в ряду, монтируемом на стену	A = 1,4 · W · (H + D) + D · H
Не крайний шкаф в ряду, монтируемом на стену, под козырьком	A = 1,4 · W · H + 0,7 · W · D + D · H



Рисунок 13 - Типичная диаграмма мощности холодильного агрегата

Ti -- температура внутри шкафа, K; Ta -- температура окружающей среды, K;

ДT = Ti - Ta;

Qv -- тепловые потери, выделяемые

оборудованием внутри шкафа, Вт;

Qs -- тепло, отводимое через поверхность шкафа, Вт; Qs>0 при ДT>0, Qs<0 при ДT<0;

Q0 -- необходимая мощность охлаждения холодильного агрегата (кон диционера) шкафа или тепловая мощность обогревателя шкафа (Q0<0), Вт;

V -- объёмный поток воздуха, м3/ч; A -- эффективная площадь теплообмена шкафа, м2;

k -- коэффициент теплопередачи,

; для листовой стали k ? 5,5,

для пластиков k ? 3,5; для шкафов сдвойными стенками из стального или алюминиевого листа принимают k ˜ 2,7 ч 3,0.

Если шкаф не имеет средств климатизации, то установившаяся (Qv =Qs) разность температур между внутренним пространством шкафа и окружающей средой описывается известным уравнением теплопроводности

(1)

Если полученное из (1) с помощью выражения ДT = Ti - Ta значение Ti больше/меньше допустимого, то не обходима дополнительная мощность для охлаждения/отопления шкафа: Q0=Qv - Qs.Несложная подстановка даёт итоговое выражение:

Q0=Qv - k · A · (Ti - Ta) (2)

Пример расчётов

Пусть имеется свободно стоящий шкаф высотой 2 м,шириной 0.6 м,глубиной 0.5 ,максимальная температура окружающей среды +50С,а максимально допустимая температура внутри шкафа равна +35С,суммарная мощность тепловых потерь оборудования внутри шкафа составляет 700Вт.

Для указанного шкафа значение параметра A=0.44 ;

Коэффициент теплопередачи для этого шкафа ;

;

;

Необходимо выбрать холодильный агрегат, имеющий мощность охлаждения не ниже 1063 Вт при соотношении температур снаружи и внутри шкафа +50°С/+35°С. Очень важно при выборе агрегата оперировать не только значением мощности, но и значениями температур Ti и Ta; это иллюстрируется типовой диаграммой тепловой мощности кондиционера, показанной на рис. 2.Из точки Ta = 50°C строим вертикальную линию до характеристики, соответствующей Ti = 35°C, и затем горизонталь до пересечения с осью значений мощности. Полученное значение (? 1200 Вт) больше требуемого, поэтому холодильный агрегат с этой характеристикой подойдёт для решения нашей задачи.

Рисунок 14 - Диаграмма тепловой мощности нагревателей четырёх моделей

Заметим, что выбор для расчёта именно таких значений температуры снаружи и внутри шкафа не случаен. Определение рабочих характеристик холодильных агрегатов проводится согласно стандарту DIN 3168. Этим стандартом предусмотрено два обязательных режима испытаний:

«А35/A35» и «A35/A50». Первое обо значение указывает, что испытание проводится при температуре воздуха внутри шкафа +35°С и воздуха снаружи шкафа +35°С; второе указывает на температуру воздуха внутри шкафа+35°С и воздуха снаружи шкафа.+50°С. Буква А в обоих обозначениях указывает, что теплоносителем является воздух (air -- воздух, англ.). Встречаются различные варианты этой нотации: «A50/A35», «A 35 A 50», в немецкоязычной литературе и на оборудовании используется нотация.«L 35 L 50» (Luft -- воздух, нем.). Следствием таких требований стандарта является тот факт, что почти все контроллеры кондиционеров и теплообменниковимеют заводскую установку+35°С. Будьте внимательны: если в спецификации холодильного агрегата указано лишь одно значение его мощности, то это значение для условий.

«А35/A35». Тепловая мощность агрегата в условиях «А35/A50» будет на много ниже. По диаграмме рис. 2 легко установить, что это 1500 Вт и 1200 Вт соответственно.

Ведущие производители холодильных агрегатов снабжают свои изделия полными диаграммами мощности, благодаря чему инженер может про вести корректный расчёт для любых параметров окружающей среды.

2. Рассмотрим тот же шкаф, что и ранее, при эксплуатации в зимних условиях: минимальная температура окружающей среды равна -30°С, а минимально допустимая температура внутри шкафа равна +10°С, суммарная мощность тепловых потерь оборудования внутри шкафа составляет 700 Вт.

1) А = 4,4 м2;

2) ДT =+10 - (-30) = +40 К;

3) k ? 5,5Вт;

4) Qv = 700 Вт;

5) Q0 = 700 Вт - 5,5 м2 · К · 4,4 м2 Ч (+40 K) = -268 Вт.

Q0<0, поэтому в рассматриваемом случае необходим обогреватель шкафа. Нагреватели, аналогично холодильным агрегатам, характеризуются диаграммами тепловой мощности. Модели обогревателей обозначены цифрами от 1 до 4.

Однако на практике этими диаграммами почти никогда не пользуются, за исключением случаев, когда необходимо экономить каждый ампер. В кратких характеристиках обогрева теля всегда указано одно значение его мощности; обычно это значение при +20°С. Поскольку при понижении температурытепловая мощность растёт, выбрать обогреватель просто: достаточно лишь убедиться, что тепловая мощность, указанная в спецификации прибора, превышает требуемую.

Представленный метод расчёта теплообмена стандартизован для шкафов, установленных в помещении, то есть исходит из того, что отсутствует движение воздуха снаружи шкафа. Для шкафов, установленных на улице, где возможно движение воздуха, применяют тот же метод расчёта, а для учёта больших тепловых потерь необходимо удвоить значение коэффициента теплопередачи k.

Суммарная теплота выделяемая приборами в щите:

Q_У=P=600 Вт

Максимально разрешенная температура в щите 50°C (ограничена диапазоном рабочих температур блоков питания). Максимальная температура в помещении 25°C. Отсюда найдем разность температур:

Рассчитаем эффективную площадь теплообмена щита:

Для расчета объемного потока V, необходимого для отвода тепловой мощности Q_? применяется следующее выражение:

Поставляемая с щитом система кондиционирования, не обеспечивает поток охлаждающего воздуха удовлетворяющий нашим условиям, поэтому были установлены в стенках шкафа вентиляторы охлаждения (1 шт) KIPPRIBOR серии ВЕНТ.



4.4 Кабельные трассы. Способ прокладки

Все кабеля проложены в лотках фирмы Baks , т.к. он соответствовал требуемым значения жесткости. Лоток выполнен из оцинкованной стали.

Таблица 5 - Кабельный журнал

№	Мар-кировка	Откуда(пози-ция на функ-циональной схеме)	Куда	Кабель или провод	Длина трассы +6%, м	Способ прокладки
				Марка	Число жил сечение, мм
							В лотках, м	Примеч.
1	1	1-1	Шкаф автоматизации (ША)	КВВГЭ	4х0,75	29	29
2	2	6-1	ША	КВВГЭ	4х0,75	30	30
3	3	1-3	ША	ТПВББГ	7х8х1,6	30	30
4	4	3-1	ША	КВВГЭ	4х0,75	25	25
5	5	4-1	ША	КВВГЭ	4х0,75	20	20
6	6	5-1	ША	КВВГЭ	4х0,75	16	16
7	7	8-1	ША	КВВГЭ	4х0,75	25	25
8	8	8-3	ША	ТПВББГ	7х8х1,6	31	31
9	9	10-1	ША	КВВГЭ	4х0,75	31	31
10	10	9-1	ША	КВВГЭ	4х0,75	15	15
11	11	9-3	ША	ТПВББГ	7х8х1,6	12	12
12	12	13-1	ША	КВВГЭ	4х0,75	25	25
13	13	13-3	ША	ТПВББГ	7х8х1,6	28	28
14	14	15-1	ША	КВВГЭ	4х0,75	25	25
15	15	15-3	ША	ТПВББГ	7х8х1,6	10	10
16	16	22-1	ША	КВВГЭ	4х0,75	21	21
17	17	12-1	ША	КВВГЭ	4х0,75	11	11
18	18	12-3	ША	ТПВББГ	7х8х1,6	2	2
19	19	7-1	ША	КВВГ	4х0,75	2	2
20	20	7-3	ША	ТПВББГ	7х8х1,6	2	2
21	21	18-2	ША	КВВГ	4х0,75	11	11
22	22	8-3	ША	ТПВББГ	7х8х1,6	29	29
23	23	19-2	ША	КВВГ	4х0,75	32	32
24	24	19-3	ША	ТПВББГ	7х8х1,6	13	13
25	25	18-1	ША	КВВГ	4х0,75	18	18
26	26	СК3	ША	КВВГ	10x1	25	25

4.5 Выбор оборудования для сопряжения локальных контуров регулирования с АСУ ТП верхнего уровня

Чаще всего распределенные АСУ ТП имеют трехуровневую структуру. Пример структурной схемы комплекса технических средств такой системы приведен на рисунке 15.

Рисунок 15 -- Структура распределенной АСУ ТП

На верхнем уровне с участием оперативного персонала решаются задачи диспетчеризации процесса, оптимизации режимов, подсчета технико-экономических показателей производства, визуализации и архивирования процесса, диагностики и коррекции программного обеспечения системы. Верхний уровень АСУ ТП реализуется на базе серверов, операторских (рабочих) и инженерных станций.

На среднем уровне -- задачи автоматического управления и регулирования, пуска и останова оборудования, логико-командного управления, аварийных отключений и защит. Средний уровень реализуется на основе ПЛК.

Нижний (полевой) уровень АСУ ТП обеспечивает сбор данных о параметрах технологического процесса и состояния оборудования, реализует управляющие воздействия. Основными техническими средствами нижнего уровня являются датчики и исполнительные устройства, станции распределенного ввода/вывода, пускатели, концевые выключатели, преобразователи частоты.

Для связи элементов как на разных уровнях так и внутри одного уровня используют сетевые технологии. Сети передачи данных, используемые в АСУ ТП, можно условно разделить на два класса:

1. Полевые шины (Field Buses);

2. Сети верхнего уровня (операторского уровня, Terminal Buses).

Главной функцией полевой шины является обеспечение сетевого взаимодействия между контроллерами и удаленной периферией (например, узлами ввода/вывода). Помимо этого, к полевой шине могут подключаться различные контрольно-измерительные приборы и исполнительные устройства (Field Devices), снабженные соответствующими сетевыми интерфейсами. Такие устройства часто называют интеллектуальными (Intelligent Field Devices), так как они поддерживают высокоуровневые протоколы сетевого обмена.

Наиболее распространенными стандартами полевых шин являются:

1. Profibus DP;

2. Profibus PA;

3. Foundation Fieldbus;

4. Modbus RTU;

5. HART;

6. DeviceNet.

Сети верхнего уровня АСУ ТП служат для передачи данных между контроллерами, серверами и операторскими рабочими станциями. Иногда в состав таких сетей входят дополнительные узлы: центральный сервер архива, сервер промышленных приложений, инженерная станция и т.д.

В отличие от стандартов полевых шин, здесь особого разнообразия нет. Фактически, большинство сетей верхнего уровня, применяемых в современных АСУ ТП, базируется на стандарте Ethernet (IEEE 802.3) или на его более быстрых вариантах Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.

Выбранный ПЛК содержит следующие коммуникационные интерфейсы:

Порт Ethernet, последовательные порты RS-232 - 2, RS-232/485 - 1

Следовательно, на нижнем уровне можем организовать обмен через RS-485 по протоколу Profibus DP, на верхнем по Ethernet без дополнительных коммуникационных модулей. В общем случае получим систему как на рисунке 16.

Рисунок 16 -- Схема соединения локальной и АСУ верхнего уровня



4.6 Источники энергосбережения на участке автоматизации

Известно, что до 80 - 85% энергоносителей в промышленно развитых странах расходуется в промышленности и энергетике при эксплуатации промышленных печей, термического и энергетического оборудования. Поэтому в настоящее время задача экономии энергоресурсов, особенно, в энергоемких отраслях промышленности: металлургии, машиностроении, химической промышленности, на предприятиях, производящих строительные материалы и керамику, в энергетике стоит необычайно остро и актуально.

Одним из комплексных направлений решения задачи энергосбережения, позволяющего существенно снизить энергопотребление при эксплуатации парка печей и термического оборудования, является применение волокнистых футеровочных и теплоизоляционных материалов и экономичных систем отопления. Волокнистые материалы - это материалы нового поколения, которые сочетают в себе высокотемпературные, огнеупорные и изоляционные свойства, низкую теплопроводность и малоинерционность, что позволяет широко применять их вместо традиционных материалов для футеровки практически всего парка термического оборудования. Основой для производства волокнистых материалов являются муллитокремнеземистые и базальтовые волокна с применением высокотемпературных неорганических связующих. Все волокнистые материалы обладают эластичностью, малой кажущейся плотностью и малой теплопроводностью, трещиноустойчивостью, значительной прочностью на разрыв и на изгиб (особенно мягкие и полужесткие), термостойкостью.

Изделия из волокнистых материалов позволяют создать новые, легкие конструкции футеровок стен и сводов, являясь при этом и огнеупором и теплоизоляцией. Низкая теплопроводность позволяет уменьшать габариты печи за счет толщины футеровки, что в сочетании с низкой плотностью делает возможным в несколько (до 10) раз снизить массу футеровки печи. Аккумулируемая во время разогрева теплота, таким образом, уменьшается также в несколько раз. Резко сокращается время разогрева печи, позволяя экономить не только энергоресурсы, но и уменьшая непроизводительное время работы печи и обслуживающего персонала. Поэтому волокнистые материалы называют ещё малоинерционными. Особенно эффективно их применение в термических печах периодического действия, с постоянными колебаниями температуры печного пространства и в печах, работающих не в полную загрузку, в так называемом «рваном режиме».

Применение волокнистых материалов нового поколения на неорганических связующих обеспечивает значительное снижение трудоемкости футеровочных работ и высокую ремонтопригодность футеровки при ее механическом повреждении. Эти материалы легко обрабатываются и не критичны к циклам нагрев - охлаждение. Количество термосмен составляет 1000 - 2000 без видимых изменений качества материала.

Футеровка из волокнистых материалов часто выполняется многослойной. Например, внутренний слой представляет собой плиту из муллитокремнезёмистого волокна на высокотемпературном неорганическом связующем, второй слой, один из самых дешевых материалов, перлитобентонитовый кирпич, а третий слой выполнен в виде плиты из базальтового волокна. Многослойность футеровки обусловлена тем, что в ней используются лучшие качества всех материалов. Первый рассчитан на более высокую температуру эксплуатации, у следующих слоев ниже теплопроводность в данном интервале температур и, кроме того, они дешевле. Таким образом, при применении многослойных футеровок из волокнистых материалов можно добиться оптимального соотношения цены и качества.

Следующим существенным достоинством волокнистых огнеупорных материалов на основе муллитокремнеземных волокон является высокая степень черноты, для диапазона температур 1000 - 1200°С он составляет 0.9 - 0.95. Для сравнения степень черноты шамота, при тех же температурах, составляет 0.6 - 0.72. Это качество волокнистых материалов позволяет создавать на их основе печи с системами радиационного нагрева. Такие системы включают плоскопламенные и дискофакельные газовые горелки и футеровку из волокнистых огнеупорных материалов, на раскаленной поверхности которой происходит полное и эффективное сгорание газа с радиационным излучением тепловой энергии во внутренний объем печи. Системы радиационного нагрева обеспечивают равномерный нагрев, значительное снижение образования окалины на термообрабатываемых изделиях из металла.

Применение рекуператоров и рекуперативных горелок для подогрева воздуха горения продуктами сгорания позволяет уменьшить расход топлива на 15-20%: Внутренняя рекуперация в проходных печах, если это допускается технологией термообработки, даёт ещё большую экономию. В электрических проходных П-образных печах, при принятии соответствующих инженерных, конструкторских решений, за счет зон рекуперации отмечается снижение потребления электроэнергии до 40%.

Проект модернизации процесса включает построение новой системы автоматического регулирования на базе программируемого логического контроллера, а также замену ряда устаревших средств автоматизации на современные. Модернизация предусматривает установку преобразователя частоты для электропривода насосов. Данное техническое решение позволит оптимизировать процесс управления, что будет способствовать уменьшению затрат на ресурсы. Потребление электроэнергии снизится с 113 кВт·ч до 76 кВт·ч в год. Использование высокотехнологичных контроллеров и измерительных преобразователей повысит точность ведения процесса и сервис в управлении им. Применение контроллеров позволит значительно снизить информационную нагрузку на операторов. Своевременность выполнения технологических операций не будет зависеть от реакции человека, что позволит максимально снизить риск возникновения чрезвычайных ситуаций.



Заключение

В данном курсовом проекте стабилизации бензина как объекта управления, определены основные каналы контроля и воздействия.

Данная САУ процесса курсовом проекте была разработана система автоматизации процесса стабилизации бензина.

Для осуществления поставленной задачи был проведен анализ процесса стабилизации бензина полностью соответствует технологической цели ведения процесса. На основании выбранной структуры управления была спроектирована функциональная схема автоматизации. Данная схема явилась основой для проектирования принципиальной электрической схемы, схемы внешних проводок и схемы расположения оборудования. Произведен выбор необходимых технических средств автоматизации и конфигурации контроллера Delta VE 3002.

В связи с тем, что система автоматизации процесса стабилизации бензина является частью системы управления промышленным предприятием, то проект автоматизации должен быть увязан с проектом системы управления предприятием в целом.



Список использованных источников

1. Шински Ф., Системы автоматического регулирования химикотехнологических процессов/ Шински Ф. - Москва: Химия, 1974

2. Федоров Ю.Н., Справочник инженера по АСУ ТП/ Федоров Ю.Н. - Москва. Инфра-Инженерия, 2008.

3. Дудников Ю.Н., Автоматическое управление в химической промышленности/ Дудников Ю.Н., Е.Г., Казаков А.В., Софиева. - Москва. Химия, 1987.

4. Клюев А.С., Проектирование систем автоматизации технологических процессов/ Глазов Б.В., Дубровский А.Х., Клюев А.А. -Москва. Энергоатомиздат, 1990.

5. Клюев А. С., Монтаж средств измерения и автоматизации под ред. Клюева А. С. - Москва: Энергоатомиздат, 1988.

6. Кузьмицкий И.Ф., Моделирование объектов и систем управления/ Кузьмицкий И.Ф., Кобринец В.П., Овсянников А.В. - Минск: БГТУ, 2003.

7. Нормы пожарной безопасности Республики Беларусь. Категорирование помещений, зданий и наружных установок по взрыво - и пожарной опасности: НПБ 5 - 2005. - Минск: МЧС РБ,2006

Размещено на Allbest.ru