Разработка автоматизированной системы управления установкой для нейтрализации азотной кислоты аммиаком

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Северский технологический институт - филиал

Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

(СТИ НИЯУ МИФИ)

Кафедра ЭиАФУ

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКОЙ ДЛЯ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ АММИАКОМ

Пояснительная записка

РАСУ.140801.271.16 ПЗ

Студент

А.А. Смирнова

Преподаватель

А.Ю. Агеев

Северск 2015



Содержание

Введение

1. Описание технологического процесса и основного оборудования объекта управления

2. Классификация объекта управления и разрабатываемой системы управления

3. Разработка КТС системы управления технологическим объектом

3.1 Выбор архитектуры системы управления

3.2 Выбор оптимальных способов измерения технологических параметров

3.2.1 Классификация средств измерения температуры

3.2.2 Выбор конкретных датчиков температуры

3.2.3 Классификация средств измерения расхода

3.2.4 Выбор конкретного средства измерения расхода

3.2.5 Классификация средств измерения давления

3.2.6 Выбор конкретного средства измерения давления

3.2.7 Средства для измерения pH жидкостей (pH-метры)

3.2.8 Выбор конкретного средства измерения pH

3.3 Выбор исполнительных устройств

3.3.1 Классификация исполнительных устройств

3.3.2 Выбор запорной арматуры

3.3.3 Выбор электропривода

3.4 Выбор управляющего оборудования

3.5 Выбор вспомогательного оборудования

3.6 Функциональная схема системы управления

4. Составление функциональной схемы автоматизации установки

5. Разработка принципиальной схемы электрической сети питания электрооборудования системы

5.1 Схема управления элементом исполнительного оборудования

5.2 Выбор кабелей и аппарата защиты

6. Расчет параметров каналов измерения

6.1 Надежность

6.2 Порог чувствительности

6.3 Разрешающая способность

Заключение

Литература

Приложение



Введение

1. Исходные данные (вариант № 16)

- схема технологической установки;

- краткое описание реализуемого технологического процесса.

2. Обязательные разделы расчетно-пояснительной записки

Введение

Описание технологического процесса и основного оборудования объекта управления

Классификация объекта управления и разрабатываемой системы управления

Разработка КТС системы управления технологическим объектом:

- выбор архитектуры системы управления

- выбор оптимальных способов измерения необходимых технологических параметров

- выбор первичных преобразователей конкретных производителей

- выбор вспомогательного оборудования (нормирующие преобразователи, преобразователи интерфейсов, модули ввода/вывода, блоки питания и т.д.)

- выбор управляющего оборудования (ПЛК, панель оператора и т.д.)

- выбор исполнительных механизмов системы управления

Составление функциональной схемы автоматизации установки

Составление принципиальной электрической схемы питания оборудования системы:

- составление питающей и распределительной схем

- выбор кабелей, проводов и аппаратов защиты сети

- схема управления элементом исполнительного оборудования

Расчет точности каналов измерения

Заключение

3. Графическая часть проекта

- схема функциональная автоматизации установки (ф. А4 или А3);

- схема электрическая принципиальная питающая (ф. А4);

- схема электрическая принципиальная управления исполнительным механизмом (ф. А4).

Дата выдачи:09февраля2015г.

Срок сдачи (не позднее):01июня2015г.

Выдал преподаватель: Агеев А.Ю.

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА К ЗАДАНИЮ

Установка для нейтрализации азотной кислоты аммиаком

На стадии нейтрализации важно поддерживать необходимое соотношение потоков аммиака и азотной кислоты, поступающих в аппарат. Причем расход аммиака определяется по рН продукта (раствора аммиачной селитры).

При разработке системы управления установкой необходимо предусмотреть следующее:

- поддержание (регулирование) рН среды в аппарате на уровне 11±0,5 ед.рН (конт. 1);

- регулирование температуры в аппарате на уровне 130±10°С (контур 2);

- регулирование давления аммиака на входе в аппарат на уровне 240±10 кПа (конт. 3);

- регулирование соотношения расходов аммиака и азотной кислоты за счет изменения подачи азотной кислоты с точностью в 1% (контур 4):

;

- регулирование рН продукта (раствора аммиачной селитры) на уровне 9±0,5 ед.рН (контур 5);

- контроль давления сокового пара на выходе в диапазоне 15±1 кПа (контур 6);

- контроль температуры конденсата сокового пара в диапазоне 80±5°С (контур 7).

В качестве электродвигателя используется «АИМ100L4» - взрывозащищенный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором.

Технические характеристики «АИМ100L4»:

мощность - 4 кВт;

скорость - 1500 Об/мин (при 50Гц);

ток при 380В - 8,8 А (при 50Гц);

КПД - 84,2%;

коэффициент мощности - 0,82;

Iп/Iн - 7,

взрывозащита 1Exd IIB T4;

степень защиты: IP54;

изготавливаются на номинальное напряжение 220, 380 и 660В частотой 50Гц и 60Гц, с тремя выводными концами, со схемами соединения обмотки статора "треугольник" или "звезда";

предельные отклонения напряжения питания: -5..+10%, частоты тока: +2,5% от номинальных значений;

номинальный режим работы: S1 по ГОСТ 183-74;

класс вибрации электродвигателей по ГОСТ 20815-93: 1,8.



Автоматизация c каждым днём приобретает всё большую роль в производственной деятельности и жизни человеческого общества, в удовлетворении его растущих потребностей. По мнению авторитетных экспертов, она должна внести в ближайшем будущем существенный вклад в решение следующих актуальных задач человечества:

экономное использование ресурсов и энергии;

удовлетворение потребностей населения на более высоком уровне жизненного стандарта в мобильности, питании и обеспечении водой;

повышение экономической эффективности производства и улучшение качества продукции.

Автоматизация является важной инженерной наукой и охватывает технические концепции, методы и средства управления и регулирования автоматизированного производства, включая его разработку, проектирование и модернизацию. Ее целью является разработка и реализация концепций управления как простыми, так и сложными объектами. Автоматизация обеспечивает: оптимизацию процессов по определённым заданным критериям (например, максимально возможная экономия ресурсов, минимально возможный ущерб окружающей среде, лучшее качество продукции), защиту человека от опасных, непредвиденных или вредных для здоровья ситуаций, а также поддержку и помощь человеку при выполнении им профессиональных функций и в его повседневной жизни. Поэтому сегодня практически не существует технических процессов, которые обходятся без автоматики - начиная от простых систем, используемых в быту, и заканчивая сложнейшими промышленными процессами производства.

В данном курсовом проекте рассматривается объект, относящийся к химической промышленности (ХП), комплексной автоматизации и механизации производств которой уделяется огромное внимание, поскольку протекание ее процессов характеризуется сложностью, высокой скоростью и чувствительностью к отклонениям от заданных режимов, вредностью среды рабочей зоны, взрыво-, пожароопасностью перерабатываемых веществ.

Современная автоматизация предприятия широко используется для оптимизации таких важных показателей работы химического предприятия, как уровень безопасности персонала, защита окружающей среды, соответствие стандартам контроля качества. Внедрение АТП ХП приводит к снижению себестоимости продукции, а также максимальному повышению эффективности производства товаров массового потребления, спец. химикатов, органических (неорганических) продуктов, как с непрерывными, так и периодическими процессами предприятий ХП. В ходе работы над данным курсовым проектом будет выбран комплекс технических средств СУ технологическим объектом (выбор архитектуры СУ, первичных преобразователей, вспомогательного и управляющего оборудования, ИМСУ), составлены функциональная автоматизации установки, электрические принципиальные питающая и управления исполнительным механизмом, а также произведен расчет точности каналов измерения.

1. Описание технологического процесса и основного оборудования объекта управления

технологический электрооборудование температура сеть

Процесс нейтрализации азотной кислоты аммиаком описывается реакцией:

NH3 + HNО3 = NH4NО3 + Q(1.1)

Эта реакция является практически необратимой и протекает с большой скоростью без образования побочных продуктов. В процессе нейтрализации выделяется большое количество тепла, определяемое тепловым эффектом реакции, концентрацией исходной азотной кислоты и температурой реагентов.

Наиболее широкое распространение получили установки, в которых процесс нейтрализации осуществляют под давлением, близким к атмосферному (избыточное давление сокового пара 5 - 20 кПа). Преимуществом нейтрализации под ратм является простота схемы и возможность использования газообразного аммиака, который из цеха синтеза аммиака выдается под давлением, как правило, не выше 200-300 кПа, без его сжижения и повторного испарения.

Эти преимущества очень выигрышны при использовании азотной кислоты концентрацией не выше 50%, когда соковый пар при ратм можно использовать для дополнительного упаривания под вакуумом растворов, полученных в нейтрализаторе, т. е. когда удается двукратно использовать тепло реакции нейтрализации [1].

Слабая азотная кислота вместе с газообразным аммиаком, находящимся под давлением 240±10 кПа, подаются (х=2 м/с) в аппарат, где идет реакция нейтрализации азотной кислоты аммиаком, в процессе которой выделяется большое количество теплоты, что вызывает испарение воды с образованием сокового пара, который отбирается сверху аппарата и направляется в сепаратор, где сконденсировавшаяся часть возвращается в аппарат, а пар - в греющую камеру выпарного аппарата. Отбираемый плав аммиачной селитры направляется в буферную емкость. Фосфатно-сульфатная добавка состоит из фосфатов аммония и сульфата аммония, вводимых в раствор аммиачной селитры в виде растворов этих солей, или в виде фосфатной и серной кислот, нейтрализуемых затем газообразным аммиаком. Эта добавка придает продукту стойкость к воздействию переменной температуры и замедляет повышение его кислотности.

Алгоритм выполнения технологических операций на установке показан на рисунке 1.1:

стадия 1 - загрузка аммиака и азотной кислоты в аппарат, регулирование давления аммиака в диапазоне 240±10 кПа (контур 3), регулирование соотношения расходов NH3 и HNO3 на аппарат за счет изменения подачи азотной кислоты (контур 4); загрузка фосфатно-сульфатных добавок в смеситель с последующим их смешиванием с азотной кислотой, подача смеси из смесителя в аппарат.

стадия 2 - осуществление нейтрализации HNO3 в аппарате, поддержание рН среды в аппарате на уровне 11±0,5 ед.рН (контур 1) за счет изменения подачи HNO3.

стадия 3 - выделение сокового пара из аппарата под давлением 15±1 кПа (контур 6) с последующей его конденсацией и подачей обратно в аппарат при температуре 80±5°С (контур 7); поддержание температуры в аппарате на уровне 130±10°С (контур 2) за счет подачи конденсата сокового пара.

стадия 4 - выгрузка смеси (раствора аммиачной селитры), поддержание рН продукта на уровне 9±0,5 ед.рН (контур 5) путем изменения подачи аммиака.

Основным технологическим оборудованием являются: аппарат, в котором происходит нейтрализация, смеситель, в котором происходит смешивание азотной кислоты с фосфатно-сульфатными добавками, и трубопроводы (d=100мм) с 5 клапанами с электроприводом, установленными для регулирования подачи исходных реагентов.

Стоит заметить, что производство аммиачной селитры относится к категории А (взрывоопасные производства, в которых применяются горючие газы и легковоспламеняющиеся жидкости), поэтому все датчики должны иметь взрывозащищенную конструкцию.

Показателем эффективности процесса образования продукта из азотной кислоты и аммиака является концентрация раствора, покидающего выпарной аппарат. Основными возмущающими воздействиями для рассмотренного участка технологической схемы является изменение расхода аммиака и азотной кислоты, причем расход аммиака определяется по рН продукта.

Для эффективного протекания процесса нейтрализации и последующего выпаривания необходимо регулировать следующие параметры схемы:

- рН среды в аппарате на уровне 11±0,5 ед.рН (контур 1);

- температура в аппарате на уровне 130±10°С (контур 2);

- давление аммиака на входе в аппарат на уровне 240±10 кПа (контур 3);

- соотношение расходов аммиака и серной кислоты на аппарат за счет изменения подачи азотной кислоты с точностью в 1% (контур 4);

- рН продукта (раствора аммиачной селитры) на уровне 9±0,5 ед.рН (контур 5).

Также необходимо производить контроль:

- давления сокового пара на выходе в диапазоне 15±1 кПа (контур 6);

- температуры конденсата сокового пара в диапазоне 80±5°С (контур 7).



Рисунок 1.1 - Алгоритм выполнения технологических операций на установке

2. Классификация объекта управления и разрабатываемой системы управления

Классификация может быть произведена по следующим признакам [2]:

уровень, занимаемый АСУ ТП в структуре предприятий;

характер протекания технологического процесса во времени;

показатель условной информационной мощности;

уровень функциональной надежности;

тип функционирования технологического процесса.

Рассмотрим каждый из признаков поподробнее.

По уровню в структуре предприятия:

АСУ ТП нижнего уровня (ТОУ, технологические агрегаты, установки);

АСУ ТП верхнего уровня (группы установок, цеха, производства, не включая нижний уровень):

Многоуровневые АСУ ТП (верхний + нижний уровни).

Создаваемая система управления относится к нижнему уровню, т.к. является установкой.

По характеру протекания ТП:

с непрерывным ТП - непрерывным с длительным поддержанием режима, близким к установившимся и безостановочной подачей сырья, реагентов;

непрерывный дискретный ТП - сочетание непрерывных и прерывистых режимов работы;

дискретный ТП - прерывистый с несущественной для управления длительностью технологических операций.

В проектируемой системе управления протекает непрерывный технологический процесс, что следует из задания.

По условной информационной мощности - характеризуется числом технологических переменных, измеряемых или контролируемых АСУ ТП:

наименьшая информационная мощность - от 10 до 40 переменных;

малая информационная мощность - 40-160 переменных;

средняя - 161-650 переменных;

повышенная - 651-2500 переменных;

большая - более 2500 переменных.

Разрабатываемая система управления имеет наименьшую информационную мощность, т.к. в ней присутствует менее 40 измеряемых и контролируемых технологических переменных.

По уровню функциональной надежности:

минимальный уровень - надежность практически не регламентируется, не требуется специальных мер;

средний уровень - надежность регламентируется, но отказы в АСУ ТП не приводят к остановкам ТОУ;

высокий уровень - надежность жестко регламентируются, т.к. отказы в АСУ ТП приводят к остановкам ТОУ и аварии.

Создаваемая система управления имеет высокий уровень функциональной надежности, т.к. при отказах системы произойдет остановка технологического объекта управления.

По типу функционирования:

информационный тип - автоматически выполняются только информационные функции, решение по управлению принимает и реализует оператор;

локально-автоматический - автоматически выполняются информационный функции и функция локального регулирования, решения по управлению процессом в целом принимает и реализует оператор;

советующий - автоматически выполняются информационные функции и функция локального регулирования управления с учетом критерия управления с помощью математической модели объекта, АСУ ТП формирует советы, предложения по выбору управляющего воздействия, окончательное решение и реализация за оператором;

автоматический - все функции АСУ ТП (информационная, управляющая) выполняются автоматически, человек - наблюдатель, который вмешивается при уходе машины от заданного курса.

Разрабатываемая система управления имеет локально-автоматический тип функционирования, т.к. в данной системе решения по управлению технологическим процессам в целом принимает оператор, а регулирование выполняется автоматически.

3. Разработка КТС системы управления технологическим объектом

3.1 Выбор архитектуры системы управления

Архитектура автоматизированной системы - это наиболее абстрактное ее представление, которое включает в себя идеализированные модели компонентов системы, а также модели взаимодействий между компонентами. Элементы архитектуры находятся во взаимосвязи, образуя единую автоматизированную систему и обеспечивая решение поставленной задачи автоматизации на архитектурном уровне. В то же время архитектура оставляет достаточно свободы для выбора конкретных технических решений. Поэтому правильно спроектированная архитектура допускает множество технических реализаций путем выбора различных компонентов архитектуры и методов взаимодействия между ними.

Элементами архитектуры являются модели (абстракции) датчиков, устройств ввода-вывода, измерительных преобразователей, ПЛК, компьютеров, интерфейсов, протоколов, промышленных сетей, исполнительных устройств, драйверов, каналов передачи информации [3].

В прошлом инженеры должны были выбирать между 2 взаимоисключающими архитектурами - распределенной и централизованной. В начале 80-х гг. наиболее популярной была централизованная, т.к. один компьютер мог осуществлять все управление производственным процессом и хранить данные в единой БД. Но у данной архитектуры есть следующие недостатки:

начальные инвестиции слишком высоки для небольших приложений;

фиксированная емкость системы не допускает последовательного увеличения системы при расширении предприятия или изменении его конфигурации;

требования к технической квалификации обслуживающего персонала высоки и требуют дорогостоящего обучения;

резервирование достигается только дублированием всей системы.

При распределенной структуре, популярной в конце 80-х гг, задачи управления и сбора данных выполняются на нескольких ПК, каждый из которых решает свою собственную задачу и работает со своей БД. Преимущества централизованной архитектуры являются недостатками распределенной и наоборот [4].

По реализации задач управления система может быть двух- или трехуровневая. Двухуровневая система включает в себя нижний (первичные преобразователи, исполнительные устройства) и верхний (реализация задач управления во всех видах) уровни.

В трехуровневой системе (Рисунок 3.1) низший уровень включает в себя датчики и исполнительные устройства. Средний уровень реализует задачи автоматического управления с помощью регуляторов, программируемых реле или контроллеров. На верхнем уровне оператор технологической установки реализует решение задач автоматизированного управления (АРМ/рабочая станция оператора с установленным SCADA-пакетом) [3].

Разрабатываемая АСУ ТП установки для нейтрализации азотной кислоты аммиаком является сосредоточенной. Так как технологический объект, представленный в задании, является локальной установкой, то и система управления им является локальной, сосредоточенной системой, для которой характерна топология «звезда» (Рисунок 3.2). Наименьший показатель информационной мощности (он равен 7) рассматриваемой установки также подтверждает правильность принятого решения.

Для осуществления АТП нам будут необходимы датчики (для измерения показаний), исполнительные устройства (для подачи реагентов), ПЛК (для осуществления автоматического управления процессом (поддержание величин в определенном диапазоне)) и диспетчерский контроль. Поэтому создаваемая система будет трехуровневой.



Рисунок 3.1 - Трехуровневая архитектура разрабатываемой системы

Рисунок 3.2 - Топология «звезда»

3.2 Выбор оптимальных способов измерения технологических параметров

3.2.1 Классификация средств измерения температуры

Классификация приборов для измерения температуры по принципу действия изображена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Классификация средств для измерения температуры

Традиционный и наиболее массовый вид термометров - контактный. При их использовании необходим контакт между датчиком термометра и средой, температура которой измеряется. Контактные приборы можно подразделить на:

1) Термометры расширения. Их принцип действия основан на зависимости объемного расширения жидкости (ртуть, спирт, органические смеси) и линейных размеров твердых тел от температуры. Соответственно, термометры расширения бывают:

жидкостные (диапазон измерений: -90...+600°С, а в отдельных случаях -200..+800°С);

линейного расширения твердых тел - дилатометрические и биметаллические (диапазон измерений: -150...+700°С). Биметаллические датчики используют для измерения поверхности твердых тел, реже для измерения температуры жидкости. Основным преимуществом датчиков является простота и надежность конструкции, возможность работы без электрического тока, низкая стоимость. Вместе с тем, они имеют большой разброс характеристик, а так же большой гистерезис переключения, особенно при низких температурах.

2) Манометрические термометры. Их принцип действия основан на изменении давления рабочего (термометрического) вещества в зависимости от температуры. В зависимости от агрегатного состояния рабочего вещества в термосистеме манометрические термометры подразделяют на:

Газовые - азот (диапазон измерений: -200...+700°С)

Жидкостные - ртуть, спирт и др. (диапазон измерений: -50...+500°С, в отдельных случаях до +600°С)

Конденсационные (парожидкостные).

К достоинствам данного вида относят простоту конструкции и эксплуатации, взрыво- и пожаробезопасность. К недостаткам - невысокую точность (1..2%), инерционность (особенно у жидкостных) и необходимость контроля герметичности системы.

3) Термоэлектрические термометры (термопары). Их принцип действия основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры. Они представляют собой две проволоки из различных металлов, сваренных между собой на одном из концов. Диапазон измеряемых с помощью термопар температур, от -200 до 2200°С, напрямую зависит от используемых в них материалов. Парой металлов могут быть хромель-аллюмель, медь-константан, железо-константан, платина-платина/родий, рений-вольфрам. Каждый тип подходит для решения своих задач. ТХА (тип К) имеют высокую чувствительность и стабильность и работают до температур вплоть до 1300 С в окислительной или нейтральной атмосфере, и это один из самых распространенных типов термопар. ТЖК (тип J) работает в вакууме, восстановительной или инертной атмосфере при температурах до 500°С. При высоких температурах, до 1500°С, используют ТПП (тип S или R) в керамических защитных кожухах. Они прекрасно измеряют температуру в окислительной, нейтральной среде и вакууме.

4) Термометры сопротивления. Принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента (проводника или полупроводника) от температуры. Преимущества: долговременная стабильность, высокая чувствительность, а также простота создания интерфейсных схем. В общем виде - это резисторы, изготовленные из платины, меди или никеля. Это могут быть проволочные резисторы, либо металлический слой может быть напыленным на изолирующую подложку, обычно керамическую или стеклянную.

Платина чаще всего применяется из-за ее высокой стабильности и линейности изменения сопротивления с температурой. Диапазон измерений: -180°..+600°С. Медь используется для измерения температур в диапазоне ±200°С, а никель - в недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных температур.

Бесконтактные методы, в основе которых лежит регистрация собственного теплового или оптического излучения, можно представить следующими направлениями:

1) Пирометрия - измерение температуры самосветящихся объектов: пламени, плазмы, астрофизических объектов. Пирометры подразделяются на:

квазимонохроматические (диапазон измерений: +700...+6000°С);

спектрального отношения (диапазон измерений: +1400...+2800°С);

радиационные (диапазон измерений: +50...+3500°С).

Основные достоинства: малое время отклика (это самые быстродействующие датчики температуры), возможность измерения температуры движущихся объектов, а также в труднодоступных и опасных местах, измерение высоких температур, отсутствие непосредственного контакта с объектом (не происходит загрязнения датчика).

2) Радиометрия - измерение температуры по собственному тепловому излучению тел. Для невысоких и комнатных температур это излучение находится в ИК диапазоне длин волн.

3) Тепловидение - радиометрическое измерение температуры с пространственным разрешением и с преобразованием температурного поля в телевизионное изображение, иногда с цветовым контрастом. Позволяет измерять градиенты температуры, температуру среды в замкнутых объемах, например, температуру жидкостей в резервуарах и трубах. Стационарные тепловизоры используют в температурном диапазоне ?40..+2000°C, и они зачастую имеют азотное охлаждение, чтобы обеспечить нормальное функционирование приемной аппаратуры [5].

3.2.2 Выбор конкретных датчиков температуры

В данном случае нам потребуются 2 прибора для измерения температуры: в аппарате (контур 2) в диапазоне 130±10°С и конденсата сокового пара, поступающего в аппарат, (контур 7) в диапазоне 80±5°С с возможностью длительного измерения температуры и взрывозащищенностью. Данным критериям соответствуют термопреобразователи сопротивления. Они широкого примененяются в различных сферах деятельности и производства. В качестве металла, из которого изготовлен термопреобразователь, лучше всего подходит медь, т.к. она наиболее пригодная и дешевая, а также отсутствует надобность измерения высоких температур, из-за чего медь может окислиться.

Согласно необходимым требованиям, был выбран аналоговый преобразователь температуры с унифицированным выходным сигналом «ТСМУ Метран-274-Exd»(Рисунок 3.4): он предназначен для работы в данном температурном диапазоне, пригоден для взрывоопасной среды и имеет достаточную степень защиты (IP65).

Выбор датчика компании «Метран» обусловлен тем, что в России данная фирма является одним из основных производителей термопреобразователей температуры. «Метран» - ведущий российский бренд в разработке, производстве и сервисном обслуживании интеллектуальных средств измерений для всех отраслей промышленности в России и СНГ. Данная компания предлагает большой выбор приборов для измерения и регулирования температуры, обеспечивает техническую поддержку своей продукции и гарантийное обслуживание [6]. Таким образом, выбор датчиков компании «Метран» является оптимальным решением поставленной задачи. 

Рисунок 3.4 - Термопреобразователь сопротивления «Метран-274-Exd»

Преобразователь предназначен для измерения температуры нейтральных и агрессивных сред, по отношению к которым материал защитной арматуры является коррозионностойким, что и требуется для данной системы. Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика измерительный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей.

Данный датчик может применяться во взрывоопасных зонах, в которых возможно образование взрывоопасных смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом категорий IIА, IIВ и IIС, групп Т1-Т6 по ГОСТ Р 51330.11-99.

Технические характеристики и параметры:

диапазон преобразуемых температур: 0..+180°С;

предел допускаемой основной приведенной погрешности ( в %): ±0,25; ±0,5;

зависимость выходного сигнала от температуры - линейная;

выходной сигнал: 4-20мА;

материал защитной арматуры - 12Х18Н10Т (макс. температ. применения 800°С);

степень защиты от воздействия пыли и воды IP65 по ГОСТ 1425;

виброустойчивость - группа исполнения V1 по ГОСТ 12997;

маркировка взрывозащиты: 1ExdIICT5, 1ExdIICT6 с видом взрывозащиты "взрывонепроницаемая оболочка d";

напряжение питания: от 18 до 42 В постоянного тока;

потребляемая мощность: не более 0,5Вт;

длина монтажной части: 60..3150мм;

Средний срок службы: не менее 5 лет;

гарантийный срок эксплуатации: 18 месяцев с момента ввода в эксплуатацию;

межповерочный интервал: 1 год [7].

3.2.3 Классификация средств измерения расхода

Наибольшее распространение получили следующие типы расходомеров:

Электромагнитные (магнитно-индукционные). Они основаны на использовании закона ЭМИ Фарадея. Их используют для измерения расходов воды, кислот, щелочей, суспензий, сточных вод с электропроводностью более 1мкСм/см. Погрешность измерения: ±0,5...±1%.

Достоинства:

работа в широком диапазоне температур, вязкости, плотности, электропроводимости и давления;

отсутствие контакта с измеряемой средой без потери давления;

большой диапазон диаметров трубопроводов: 2..2600мм;

высокая точность, надежность, простота в эксплуатации.

Ультразвуковые. Принцип действия - зависимость разности времени прохождения сигналов ультразвуковой частоты, направленных одно- или попеременно в направлении потока и против него, от скорости потока, т.е. объемного расхода. К достоинствам можно отнести:

независимость результатов измерения от температуры, вязкости, электропроводимости и давления;

большой диапазон диаметров трубопроводов: 15..4000мм;

неконтактность измерения сред;

точность, надежность, небольшие затраты на обслуживание.

Кориолисовые. Принцип действия - измерение силы Кориолиса, возникающей при движении измеряемой среды в трубах первичного преобразователя, колеблющихся в противофазе с резонансной частотой, пропорциональной скорости и массе потока. Данный расходомер предназначен для измерения массового и вычисления объемного расхода жидких и газообразных сред. Основные достоинства:

надёжная работа при наличии вибрации трубопровода, при изменении температуры и давления рабочей среды;

высокая точность, длительный срок службы и простота обслуживания.

Вихревые (вихреакустические). Принцип действия основан на эффекте

возникновения завихрений после преодоления потоком среды размещённого на его пути препятствия. Достоинства: отсутствие необходимости перекалибровки в течение всего срока службы, сравнительно низкая стоимость. Недостатки: существенная потеря давления (до 50 кПа), непригодность для работы с загрязнёнными средами или средами, отличающимися повышенной кислотностью (но существуют специальные исполнения, имеющие функцию самоочищения полости и работающие с агрессивными веществами).

Область применения: измерение объёмного расхода любых сред (кроме твёрдых). Их устанавливают на трубопроводы, внутренний диаметр которых составляет от 15 до 500 мм. Приборы прекрасно функционируют, если температура контролируемой среды находится в диапазоне от 60 до 500°С, а её давление не превышает 30 МПа.

Переменного перепада давления на сужающем устройстве. Принцип действия основан на зависимости перепада давления, создаваемого неподвижным устройством, устанавливаемым в трубопроводе, от расхода вещества. Из парка существующих расходомеров более 60% составляют именно они.

Достоинства: простота, надежность, большая база экспериментальных данных. Недостатки: значительные потери давления; износ входной кромки диафрагмы; большие длины прямых участков трубопроводов перед СУ, относят узкий диапазон измеряемых расходов (1:8). Основные погрешности, %: 1...3.

Тепловые (калориметрические). В основу принципа действия положен нагрев потока жидкости (газа) внешним источником тепла, создающий разность температур в потоке, зависящую от скорости движения потока и расхода теплоты в нагревателе.

Преимущества: высокая точность, широкий диапазон измерения, малая инерционность. Недостатки: сложность измерительной системы и нестабильность характеристик, связанная с коррозией приемных устройств. Приведенная погрешность: ±(0,3-1) %.

Скоростного напора (турбинные). Принцип действия основан на зависимости частоты вращения турбины, установленной в потоке жидкости, от объемного расхода. Используются при измерении расхода и количества воды, нефтепродуктов, других жидкостей и газа в трубопроводах диаметром 4-750мм, с давлением до 250МПа, температурой -240-+700°С.

Недостатком турбинных расходомеров является изнашивание опор вращения турбин и, следовательно, турбинные расходомеры и счетчики не используются для учета веществ с механическими примесями. Также их не применяют для измерения потока и расхода очень вязких веществ [8].

3.2.4 Выбор конкретного средства измерения расхода

Для проектируемой системы управления требуется 1 прибор для измерения расхода (контур 4). Необходимо учесть, что измеряемыми средами являются кислота и газ, проходящие по трубопроводу d=100мм. Кроме того, прибор должен иметь 2 канала измерения и быть пригодным для работы во взрывоопасных зонах. Наиболее подходящим методом измерения в данном случае является ультразвуковой метод, благодаря присущим ему достоинствам, перечисленным в предыдущем пункте.

Исходя из условий данного технологического процесса, был выбран расходомер ЗАО «Взлет» «ВЗЛЕТ МР УРСВ-520ц Ex» (Рисунок 3.5). Он предназначен для измерения среднего объемного расхода и объема реверсивных потоков различных жидкостей (горячей, холодной, сточных вод, кислот, щелочей, пищевых продуктов) и газа в 2 напорных трубопроводах при различных условиях эксплуатации, в том числе во взрывоопасных зонах.

Рисунок 3.5 - Расходомер «ВЗЛЕТ МР УРСВ-520ц Ex»

«Взлет» - это группа компаний международного масштаба, занимающая 25% российского рынка приборов учета энергоресурсов и выпускающая серийную продукцию, востребованную во всех сферах народного хозяйства, где имеет место оборот тепла, газа и различных жидкостей. Это мощная производственная база с ежегодным выпуском более 500 000 изделий, свыше 50 дилерских представительств и более 100 сервисных центров, обслуживающих 50 000 заказчиков в России и СНГ, в Азии и Европе [9].

Технические характеристики «ВЗЛЕТ МР УРСВ-520ц Ex» [10]:

диаметр трубопровода: от 10 до 5 000 мм;

скорость потока, м/с: от 0,1 до 20;

диапазон температуры измеряемой среды, °С: -30..+160;

давление среды: до 2,5 МПа;

степень защиты ВП/ПЭА: IP54/IP68;

напряжение питания расходомера: 24В;

потребляемая мощность: не более 12 ВА;

выход: 4..20мА;

среднее время наработки на отказ: 75000ч;

средний срок службы: 12 лет

гарантийный срок эксплуатации: 25 месяцев.

3.2.5 Классификация средств измерения давления

Для измерения давления или разрежения в технологических агрегатах, сосудах или трубопроводах отечественная промышленность выпускает две группы приборов: манометры, вакуумметры или мановакуумметры, а также напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры.

Первая группа применяется, когда измеряемой средой является жидкость или газ, вторая -- только для газа, причем для более низких давлений, чем приборы первой группы.

По принципу действия приборы бывают:

жидкостные, в которых измеряемое давление (разрежение) уравновешивается

давлением столба жидкости, заполняющей прибор;

пружинные, в них измеряемое давление определяется величиной деформации упругого элемента (трубчатой пружины, мембраны);

поршневые, в которых измеряемое давление определяется внешней силой (грузом), действующей на поршень определенной площади (диапазон измерений 0,1..250 МПа);

электрические, использующие устройства, измеряющие колебания напряжения, силы тока, индуктивности в зависимости от приложенного давления. Подразделяются на манометры сопротивления (для давлений до 1000МПа), тепловые (0,0133..1333Па), пьезоэлектрические (до 100МПа), ионизационные (для очень низких давлений) и радиоизотопные (1,333Па..1,333кПа).

Наиболее простым по конструкции из жидкостных манометров является U-овразный жидкостный манометр. К преимуществам таких приборов относят: малую погрешность, простоту устройства, дешевизну, быстроту установки и пуска, взрывобезопасность. Недостатки этих манометров -- плохая видимость шкалы и мениска, хрупкость вследствие наличия стеклянных частей, возможность выброса рабочей жидкости при внезапном увеличении давления, невозможность дистанционной передачи и автоматической записи показаний, незначительные пределы измерения.

Пружинные манометры широко применяют для измерения избыточного давления и разрежения. Достоинства: универсальность, простота конструкции и изготовления, большой диапазоном измерения. Выпускаются с классами точности 1; 1,6; 2,5.

Мембранные тягомеры, напоромеры и тягонапоромеры изготовляются с мягкой (вялой) мембраной и с металлической мембранной коробкой в виде показывающих приборов. Промышленностью выпускаются приборы с пределами измерения 25...2500 и 12...1200 даПа.

Преимущества мембранных приборов -- взрывобезопасность, хорошо видимая шкала, возможность дистанционной передачи и автоматической записи показаний [8].

3.2.6 Выбор конкретного средства измерения давления

В данном случае нам потребуются 2 прибора для измерения давления в контурах 3 и 6 в диапазонах 240±10 кПа и 15±1 кПа соответственно, обладающие взрывозащищенностью. Измеряемыми средами являются газообразный аммиак и конденсат сокового пара.

Согласно необходимым требованиям, был выбран емкостной датчик давления «Метран 150CG 3»(Рисунок 3.6). Обоснование выбора датчика именно компании «Метран» представлено в пункте 3.2.2.

Рисунок 3.6 - Датчик давления «Метран 150CG 3»

Технические характеристики [11]:

измеряемые среды: жидкости, в т.ч. нефтепродукты; пар, газ, газовые смеси;

диапазон измеряемых давлений: 5..250 кПа;

выходные сигналы: 4-20 мА/HART;

основная приведенная погрешность: до ±0,075% (опция до ±0,2%);

диапазон температур окружающей среды: -40..85°С;

высокая стабильность характеристик;

взрывозащищенное исполнение вида "искробезопасная цепь" и "взрывонепроницаемая оболочка";

степень защиты:IP66;

гарантийный срок эксплуатации - 3 года;

межповерочный интервал - 5 лет.

Особенности и преимущества:

высокая перегрузочная способность;

защита от переходных процессов;

внешняя кнопка установки "нуля" или кнопки аналоговой настройки "нуля" и "диапазона";

непрерывная самодиагностика.

3.2.7 Средства для измерения pH жидкостей (pH-метры)

Для измерения уровня концентрации (показатель рН) ионов водорода в растворе или жидкости используют pH метр. Его принцип действия основывается на измерениях величин электродвижущих сил по электродной схеме, все параметры которой прямо пропорциональны активности ионов водорода в растворах. Суть измерения состоит в простом замере и использовании показания вольтметра, которые переведены в другие, эквивалентные вольтам единицы измерения - единицы pН.

pH-метры подразделяют на погружные и проточные (магистральные).

Выделяют потенциометрические автоматические анализаторы рН, имеющие диапазон измерений от 0--1 до 0--14 рН и время реакции 15--30 с. Классы точности: 0,5--10 [8].

3.2.8 Выбор конкретного средства измерения pH

В данном случае нам потребуются 2 прибора для измерения уровня концентрации ионов водорода в контурах 1 и 5 в диапазонах 11±0,5 ед.рН и 9±0,5 ед.рН соответственно, обладающие взрывозащищенностью. Измеряемой средой является раствор аммиачной селитры.

Согласно необходимым требованиям, был выбран pH-метр-милливольтметр «pH-202» фирмы «Yokogawa»(Рисунок 3.7), предназначенный для контроля качества технологических растворов в разнообразных производственных процессах и мониторинга промышленных сточных вод, а также для измерения рН воды высокой чистоты (котловой воды). «Yokogawa Electric Corporation» -- японская крупная инжиниринговая компания, работающая в области измерительной техники и промышленной автоматизации. Выбор данной фирмы обусловлен тем, что рН-метры ее производства довольно распространены, и к тому же она обеспечивает техническую поддержку своей продукции и гарантийное обслуживание [12].

Основные характеристики «pH-202» [13]:

диапазон измерения pН: -2 ... 16;

основная погрешность измерения pН: ±0,02 рН;

температура среды: -30..140°С;

максимальное давление среды: 0,5 МПа;

выходной сигнал: 4..20мА, HART;

тип защиты: IP65;

скорость потока: не более 2 м/с.

Рисунок 3.7 - pH-метр «pH-202»

Особенности и преимущества:

наличие функций самодиагностики и выявления неисправности сенсора во время измерений и при калибровке;

коррозионностойкий, теплоустойчивый и механически прочный корпус сенсора, что обеспечивает долгий срок службы и допускает многократную индивидуальную замену измерительного электрода и электрода сравнения.

имеется взрывозащищенное исполнение прибора, в том числе с системой очистки;

совместимость с большинством имеющихся электродов;

внесен в Госреестр.

3.3 Выбор исполнительных устройств

3.3.1 Классификация исполнительных устройств

Исполнительные устройства (ИУ) предназначены для воздействия на технологический процесс в соответствии с командой управляющего устройства. Классификация ИУ представлена на рисунке 3.8.

Основными блоками ИУ являются исполнительные механизмы (ИМ) и регулирующие органы (РО).

По виду потребляемой энергии ИМ делятся на электрические, пневматические, гидравлические (иногда выделяют комбинированные); - по конструктивному исполнению -- мембранные и поршневые; - по характеру обратной связи -- периодического и непрерывного действия.

Электрические ИМ являются наиболее распространенными и включают в себя электродвигатели и электромагнитный привод. В общем случае эти механизмы состоят из электродвигателя, редуктора, тормоза, соединительных муфт, контрольно-пусковой аппаратуры и специальных устройств для перемещения рабочих органов.

Рисунок 3.8 - Классификация исполнительных устройств

Электродвигатели бывают переменного (в основном применяют асинхронные с короткозамкнутым ротором) и постоянного тока. Наряду с электродвигателями массового изготовления используют и специальные конструкции позиционного и пропорционального действия, с контактным и бесконтактным управлением. По характеру изменения положения выходного органа электродвигательные ИМ могут быть постоянной и переменной скорости, а также шаговыми. По назначению их делят на однооборотные (до 360°), многооборотные и прямоходные.

Множество РО также многообразно, как многообразны объекты управления. В качестве примера можно привести основные типы РО, применяемых в системах подачи и перемещения жидких, газообразных и сыпучих материалов. По виду воздействия на объект их можно подразделить на дросселирующие, дозирующие и манипулирующие.

Дросселирующие РО изменяют сопротивление (гидравлическое, аэродинамическое) в системе путем изменения своего проходного сечения, воздействуя на расход вещества. Примерами таких РО являются заслонки, диафрагмы, задвижки, краны, клапаны.

Дозирующие РО выполняют заданное дозирование поступающего вещества или энергии за счет изменения производительности определенных агрегатов: дозаторов, насосов, компрессоров, питателей, электрических усилителей мощности [8].

3.3.2 Выбор запорной арматуры

При эксплуатации систем с трубопроводами в качестве запорной арматуры выступают задвижки и клапаны, предназначенные для необходимого перекрытия потока продуктов.

Задвижка имеет затвор в виде диска, клина или листа. Он двигается перпендикулярно потоку вдоль колец седла самого корпуса. Задвижки подразделяются на два типа: полнопроходные и суженные. В суженных диаметр трубопровода больше диаметра уплотнительных колец. Задвижки различаются также и по способу движения шпинделя - он может быть вращаемым невыдвижным и с выдвижным штоком.

Использование задвижки в качестве регулирующего элемента является нецелесообразным. Это все же запорная арматура.

В отличие от задвижки, клапан снабжен конусоидальным или плоским тарелкообразным затвором, который совершает возвратно-поступательные движения вдоль поверхности седла. Клапана подразделяются на предохранительные, дыхательные, перепускные запорные, регулирующие, обратные и др. Они бывают одно- и двухседельными. По форме затвора односедельные бывают тарельчатыми и игольчатыми. Клапан ручного действия, с резьбовым перемещением затвора, называют вентилем.

Запорные клапаны полностью перекрывают поток. Они всегда односедельные.

Регулирующий клапан способен управлять параметрами рабочих сред в конкретном месте технологической системы, трубопровода. Конструктивно любой такой клапан состоит из пары связанных между собой элементов: регулирующего клапана (заслонки) и механизма (управляющего или исполнительного), который действует на регулирующий орган. Привод для исполнительного механизма может быть гидравлическим, электрическим или пневматическим.

Регулирующая запорная арматура может иметь два положения: НО (нормально открытое) либо НЗ (нормально закрытое). Конструкция регулирующего клапана бывает односедельной, двухседельной. В первом случае очень хорошо перекрывается поток в закрытом положении, однако, ввиду того что плунжер неразгруженный, требуется мощный привод. Плюс односедельные клапаны располагают пропускной способностью, примерно в 1,6 раза меньшей, чем двухседельные. Последние лишены подобных недостатков. Клапаны с двумя седлами могут выпускаться с различной пропускной способностью (при одинаковом условном диаметре).

Потоки агрессивных сред регулируются диафрагменными устройствами. Корпус клапанов, детали используемых в трубопроводных системах высокого давления, изготавливаются из стали специальных марок. Внутреннее пространство покрывается стойкими к воздействию кислоты, щелочи материалами: фторопластом, эмалью и т.п. Главное достоинство диафрагменного клапана в том, что в нем отсутствуют сальники.

Соединение клапанов с трубопроводными системами может быть выполнено с использованием фланцев (при помощи болтов) либо сварки. Сварочный вариант крепления задвижек считается наиболее надежным, применяется там, где осуществляется транспортировка агрессивных жидкостей и возможно большое давление. Протечка практически невозможна, герметичность на высоком уровне. Недостатком такого крепления является трудность демонтажа трубопроводной системы при необходимости ремонта [14].

Учитывая все требования (рабочие среды, температура, наличие электропривода, диаметр труб) и проанализировав достоинства и недостатки каждого вида клапанов, в данной системе будут использованы клеточно-плунжерные регулирующе-отсечные клапаны «КМРО-Э ЛГ» (рисунок 3.9) от компании «ЛГ АВТОМАТИКА», являющейся одной из крупнейших компаний на данном рынке. Она существует с 1993 года‚ разрабатывает‚ производит и поставляет на крупнейшие отечественные и зарубежные предприятия клапаны различных типов‚ успешно работающие более чем на 900 нефтеперерабатывающих‚ нефтехимических‚ нефтегазовых‚ металлургических и пищевых предприятиях. Все выпускаемые клапаны изготавливаются на основе собственной документации и разработок. Новейшая серия клапанов КМР‚ КМО‚ КМРО защищена более чем 10 патентами и является наиболее перспективной конструкцией клапана для эксплуатации в России [15].



Рисунок 3.9 - Клапан «КМРО-Э ЛГ»

Выбранные клапаны могут не только регулировать, но и быстро открывать и закрывать трубопровод с герметичностью, соответствующей отсечному клапану. Класс герметичности регулирующе-отсечных клапанов в стандартном варианте «В» по ГОСТ 9544-93, существуют исполнения с классом герметичности «А».

Технические характеристики [16]:

среда: агрессивная, газообразная среды, пар, нефтепродукты;

температура: -90..+650°С;

климат: У;

материал корпуса: сталь легированная, молибденсодержащая 10Х17Н13М2Т, нержавеющая 12Х18Н10Т, углеродистая;

тип присоединения: под приварку;

тип управления: под электропривод (AUMA; МЭПК; ЭПР; DREHMO);

диаметр трубопровода: 100 мм.

3.3.3 Выбор электропривода

Электропривод - это тип электромеханического устройства, разработанный для мониторинга и управления запорной и регулирующей арматурой. Данные устройства предназначены для механизации и автоматизации процесса управления задействованной арматуры, что позволяет ускорить и упростить стандартные операции, выполняемые во время эксплуатации на магистральных сетях, обеспечивая дистанционное управление. Электроприводы используются на сетях трубопроводов общего назначения и во взрывоопасных зонах IIВ по ГОСТ Р 51330.0-99, в помещениях и под навесом на открытом воздухе в соответствии с ПУЭ.

Соответствие характеристик электропривода с поставленной задачей, потребностями конкретной коммуникационной сети, а также климатическими условиями, гарантирует эффективную работу всего комплекса.

Для клапанов данной системы выбран многооборотный взрывозащищенный электропривод «МЭПК-6300-IIВТ4» (Рисунок 3.10) фирмы «АБС ЗЭИМ Автоматизация», являющейся ведущим российским производителем электрических исполнительных механизмов МЭО, МЭОФ, приводов и комплекса средств автоматизации. Продукция данной компании сертифицирована и соответствует регламентирующим документам Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору. «АБС ЗЭИМ Автоматизация» имеет репутацию поставщика надежной техники, подтвержденную результатами длительной и безотказной эксплуатации на многочисленных объектах в различных отраслях промышленности.[17].

Рисунок 3.10 - Электропривод «МЭПК-6300-IIВТ4»

Состав механизма «МЭПК6300-IIВТ4» [18]:

- однооборотный привод постоянной скорости;

- блок сигнализации положения БСПТ-IIВТ6, БСПР-IIВТ6 или БСП-IIВТ6;

- прямоходная приставка.

Технические характеристики:

напряжение и частота питания - 380 V, 50 Hz;

мощность - не более 110Вт;

климат: У2, Т2;

степень защиты - IP54 по ГОСТ 14254;

режим работы - S4, частота включений - до 630 в час при ПВ до 25 %;

уровень взрывозащиты "взрывобезопасный" с видом взрывозащиты "взрывонепроницаемая оболочка" - маркировка "1ЕхdIIВТ4"или "1ЕхеdIIВТ4".

3.4 Выбор управляющего оборудования

К разряду управляющего оборудования в аппаратной части АСУТП относятся программируемые реле, ПЛК, панели оператора с функцией ПЛК и т.д. Т.к. проектируемая система управления является трехуровневой и имеет средний контроллерный уровень, то в качестве управляющего оборудования в этом случае выступает ПЛК и рабочая станция оператора технологической установки со SCADA-пакетом.

При выборе конкретного ПЛК будем учитывать следующее:

производитель (отечественный/импортный, распространенность) - предпочтительнее отечественный;

количество аналоговых/дискретных входов/выходов - AI=7, DO=6;

тип интерфейсных разъемов - RS-232, RS-485;

точное назначение (автоматизация локальной системы);

применяемый язык программирования («CoDeSys»).

Данным критериям удовлетворяет средство автоматизации для управления локальной системой - программируемый логический контроллер «ОВЕН ПЛК73» (Рисунок 3.11) - полноценный программируемый контроллер для простых задач автоматизации. Основные области применения «ОВЕН ПЛК73» - ЖКХ, ЦТП, ИТП, котельные, небольшие станки. Представляет собой удобную базу для создания законченных приборов.

Выбор данного производителя обусловлен тем, что компания «ОВЕН» работает на рынке автоматизации более 20 лет. За это время компания накопила богатый опыт и зарекомендовала себя как поставщик надежного и качественного оборудования.

Сегодня компания «ОВЕН» - крупнейший российский разработчик и производитель средств автоматизации для различных отраслей промышленности и занимает лидирующие позиции не только на российском рынке, но и в странах ближнего зарубежья.