 | Поиск |
Скачать 1 Mb.
|
Рис. 5. Разработка процедур сбора данных 2.3. Проектирование схем автоматизации технологических процессов Схема автоматизации (СА) технологического процесса - это основной документ проекта, отражающий технические решения автоматизации конкретных технологических процессов и показывающий функциональные связи между ними и средствами контроля и управления. В автоматизированных системах управления возникает необходимость в передаче информации о ходе процесса в АСУ производством или предприятием, поэтому на схеме автоматизации можно также показать средства передачи информации в эти системы. Проектированию СА предшествует решение ряда вопросов, возникающих при создании систем автоматизации. Так как схема автоматизации служит основанием для разработки остальных чертежей проекта, принятие определенных решений на стадии ее проектирования предопределяет уровень автоматизации объекта, выполнение системой критерия управления, достижение высоких технико-экономических показателей и технологических требований. Задачи проектирования схем автоматизации При проектировании схем автоматизации решаются следующие основные задачи. Анализ технологического процесса. Глубокое знание технологии производства, для которого разрабатывается система автоматизации, позволяет обоснованно решать вопросы управления им. В большинстве случаев система автоматизации создается для действующей установки с известными технологическим регламентом, режимами работ и конструктивными особенностями, оснащенной запорной и регулирующей арматурой. Относительно статических и динамических характеристик управляемого объекта имеются определенные сведения. Все эти сведения подлежат тщательному анализу при проектировании СА. В процессе разработки схемы автоматизации может возникнуть необходимость в изменении технологии производства, конструктивного оформления установки и принципов управления ею. Такие вопросы решаются совместно со специалистами-технологами. При проектировании систем автоматизации производства всегда возникает задача согласования производительности смежных участков, что дает возможность исключить ряд возмущающих воздействий. Примером такого согласования является система управления производством кефира. Анализ технологического процесса позволяет также правильно выбрать основные контролируемые и управляемые величины, установить диапазон их изменения и рабочее значение, определить характеристики возмущающих воздействий и выбрать главные управляющие воздействия. В последнем случае существует определенная свобода выбора. Например, управляющим воздействием может быть как приток вещества или энергии в аппарат, так и сток его. Выбор управляющих воздействий определяется их наибольшей эффективностью и структурой системы автоматизации. Примеры анализа технологического процесса приведены в табл. 1 и 2. Таблица 1 Основные параметры контроля и регулирования технологического процесса производства сгущенного молока.
Таблица 2 Проектное обеспечение системы автоматического регулирования
Анализ существующих схем автоматизации. Окончательные решения по автоматизации производства принимаются после анализа существующих схем автоматизации, известных из отечественной и зарубежной литературы. Рабочий вариант схемы автоматизации должен обеспечить достижение наиболее высоких технико-экономических показателей среди существующих схем автоматизации, не только соответствовать принятым технологическим требованиям, но и учитывать также перспективы совершенствования технологических процессов и особенности развития технических средств автоматизации. Это позволяет совершенствовать систему автоматизации без существенных затрат. Оптимальный объем (уровень) автоматизации технологического процесса определяется поставленными задачами с учетом технико-экономического обоснования целесообразности автоматизации на базе принятого комплекса технических средств. Анализ статических и динамических характеристик объекта, определение структуры схем регулирования. Наиболее целесообразно совместное создание технологического процесса и системы управления им. В этом случае технологический процесс и система автоматизации наиболее полно могут соответствовать требованиям, предъявляемым к автоматизированным процессам, так как на стадии проектирования могут задаваться (специалистами по автоматике) и реализовываться (специалистами-технологами) необходимые статические и динамические свойства объекта. Все это позволяет получить высокие технико-экономические показатели работы и обеспечить требуемое качество регулирования основных технологических параметров. При автоматизации действующих установок необходимо располагать определенными сведениями о существующих свойствах управляемого объекта в виде статических и динамических характеристик. Эти сведения помогают правильно выбрать каналы регулирования (регулирующие воздействия), обеспечивающие высокую эффективность управления. В табл. 3 приведены основные характеристики объекта регулирования. Таблица 3 Анализ характеристик объекта автоматизации
Основные термины и определения приведены в приложении Д (сведение об объекте). Выбор на технологической схеме точек контроля или отбора импульсов для регулирующих систем. Многие управляемые объекты являются объектами с распределенными параметрами и поэтому выбор точек контроля или отбора импульсов приобретает важное значение, так как от этого зависит не только представительность сигнала, но и точность оценки значения контролируемых или регулируемых параметров в каждый момент времени. В системах автоматического регулирования выбор точек отбора импульсов должен обеспечить наряду с названными требованиями еще и достаточно точное представление о статических и динамических свойствах управляемого объекта. В ряде случаев именно место отбора импульсов определяет настройки регуляторов, качество регулирования и другие показатели функционирования системы. В общем случае технологический параметр часто представляет собой величину, распределенную по длине агрегата и непрерывно изменяющуюся во времени и пространстве случайным образом. Простейшая задача, возникающая в системах контроля, сводится к выбору числа и точек размещения датчиков по длине агрегата. Оценка требуемого расстояния между датчиками осуществляется заданием средней квадратичной погрешности аппроксимации значения измеряемой величины по длине агрегата, а также выбором соответствующего алгоритма интерполяции. Выбор точек контроля или отбора импульсов для регулирующих систем должен также обеспечить удобство монтажа соответствующих технических средств на оборудовании. Выбор измерительных и регулирующих приборов Данная задача является одной из важнейших при проектировании и далее она рассматривается более подробно. Выбор местоположения вторичных приборов и средств автоматизации В соответствии с принятым уровнем автоматизации выбирают структуру системы в целом, что определяет местоположение вторичных приборов и средств автоматизации. Чувствительные элементы, отборные устройства, регулирующие органы, исполнительные элементы и другие средства автоматизации, служащие для непосредственного получения информации либо для формирования управляющих воздействий, располагают на технологических трубопроводах, в конструктивных элементах технологического оборудования, либо в специально спроектированных устройствах, которые установлены на этом оборудовании. Различные преобразователи, промежуточные элементы, а иногда и автоматические регуляторы можно располагать как рядом с управляемым объектом, так и на локальных пунктах управления отдельными агрегатами. Средства обработки первичной информации, автоматические регуляторы, сигнальные устройства и вспомогательные средства (элементы схем питания, сигнализации, управления и др.) размещают также на локальных пунктах управления. Вторичные приборы можно располагать на локальных и центральных пунктах управления. Некоторые измеряемые и регулируемые параметры могут дублироваться, т. е. фиксироваться на разных щитах. Выбор измерительных приборов Системы автоматизации процессов включают контуры контроля отдельных параметров, основным назначением которых является получение оперативной информации о ходе процесса. Вопрос выбора измерительных комплектов для системы автоматического контроля возникает еще при проектировании схем автоматизации. Чаще задачу выбора приборов для систем автоматического контроля решают путем перехода от общих вопросов к частным. На первом этапе выбирают комплекс технических средств для всей системы, затем - измерительные комплекты для отдельных параметров. Общая постановка задачи создания системы автоматического контроля сводится к следующему. Заданием на проектирование определяется совокупность технологических параметров и показателей, значение которых необходимо контролировать в процессе работы объекта. Для правильного выбора системы автоматического контроля должна быть указана также требуемая точность оценки технологических параметров и обобщенных показателей. Предполагается, что существуют измерительные приборы для получения информации о всех контролируемых параметрах. Система автоматического контроля проектируется с учетом достижения экстремума критерия, в качестве которого может быть выбран минимум затрат на создание системы с соответствующими ограничениями. Как правило, при этом стремятся к минимизации числа контролируемых величин при условии обеспечения достаточной информации о ходе процесса. Характер информации, получаемой на каждом пункте управления, различен, однако во всех случаях должна быть представлена только главная, необходимая информация. Избыток информации, дублирование различных измерений не только удорожают систему, усложняют ее монтаж и эксплуатацию, но и отвлекают обслуживающий персонал от решения наиболее важных производственных вопросов. Системы автоматического контроля являются человеко-машинными, поэтому в них необходимо разграничивать функции, выполняемые человеком и комплексом технических средств. Выбор приборов для систем автоматического контроля пищевых производств имеет свои особенности. В конкретных условиях на выбор приборов в большой степени влияют характеристики технологического объекта с учетом условий его работы, диапазон изменения измеряемых величин, расстояние от чувствительного элемента до выбранного прибора, фактор надежности и др. Исходными данными при разработке системы автоматического контроля являются общая характеристика системы, характеристика условий ее работы и требования к качеству системы. Общая характеристика системы автоматического контроля отражает инженерно-психологические особенности, т. е. алгоритм контроля, распределение и согласование функций человека и автоматических устройств и др. Сюда же относится техническая характеристика системы автоматического контроля с точки зрения стандартизации и однородности. Основной аппаратурой, применяемой в системах автоматического контроля, являются серийно выпускаемые приборостроительной промышленностью средства измерений, входящие в ГСП. Применение специально разработанных приборов допускается только в тех случаях, когда типовой прибор либо отсутствует, либо его применение не обеспечивает выполнения технических условий работы и предъявляемых к нему требований. Использование в системах автоматического контроля однородной по техническим особенностям и характеристикам аппаратуры упрощает и удешевляет систему, улучшает условия ее эксплуатации, расширяет возможности резервирования и повышает надежность системы. Условия работы системы автоматического контроля характеризуются данными о контролируемой среде (температура, давление, плотность, химическая реакция, дисперсность и др.), о внешней окружающей среде (температура, давление, влажность, запыленность, пожаро- и взрывоопасность, наличие в зоне действия аппаратуры магнитных и электрических полей, излучений и других помехообразующих факторов), о расстоянии от точки измерения до места установки измерительного прибора, а также от прибора до рабочего места оператора. Требования к качеству работы системы автоматического контроля включают в себя основные метрологические данные: − точность измерения, определяемую по классу точности; − порог чувствительности − по чувствительности к отклонению контролируемого параметра; − быстродействие системы − по скорости реагирования на изменение контролируемой величины (постоянная времени, время начала реагирования); − надежность − по таким основным показателям, как вероятность отказов, частота отказов, интенсивность отказов, средняя наработка на отказ, коэффициент ремонтопригодности. В отличие от других требований, которые могут быть главными при решении частных задач, метрологические данные являются основными на всех этапах проектирования системы автоматического контроля. Метрологические требования определяют работу измерительных комплектов не только в установившемся (статическом) режиме, но и в переходном (динамическом). В связи с этим формулировка метрологических требований является ответственной задачей, которая должна решаться на основе глубокого анализа технологического процесса, выявления той роли, какую играет каждый контролируемый параметр в производстве. В мясной и молочной промышленности, как и в других отраслях народного хозяйства, используются в зависимости от их назначения приборы с разными метрологическими характеристиками. Однако требование по классу точности измерительных комплектов для промышленных систем автоматического контроля составляет 0,25-1,5, по порогу чувствительности не более 0,05-0,1 % диапазона измерения, по быстродействию не более 16 с. Достижение этих показателей возможно только при использовании малоинерционных чувствительных элементов на основе компенсационных методов измерения. Естественным является требование повышения точности измерения технологических параметров, однако чрезмерная точность приводит к значительному удорожанию всей системы, усложняет эксплуатацию приборов и требует более высокой квалификации обслуживающего персонала. В тех случаях, когда точность измерения не регламентирована специальными общегосударственными или ведомственными техническими условиями (правилами), можно руководствоваться приведенными ниже рекомендациями по выбору класса точности прибора: 0,2 - образцовые, для проверки технических приборов; 0,5 - компенсационного типа (электронные потенциометры, мосты и т. п.), для контроля и регистрации ответственных величин, характеризующих качество работы агрегата, процесса; 1,0, 1,5 - среднего класса точности, для контроля и регистрации параметров, оказывающих меньшее влияние на работу агрегата; 2,5 - приборы для измерения параметров, непосредственно не влияющих на качество продукта и работу агрегата; 4,0 - грубые приборы для измерения неответственных параметров и оценки их относительного изменения. При построении систем автоматического контроля отдельных технологических параметров последовательно производят выбор воспринимающего элемента и первичного преобразователя, выбор линии связи и источника питания, выбор вторичного прибора (характеристика воспринимающего устройства, пределов шкалы, габаритов прибора). Выбор воспринимающего элемента и первичного преобразователя. Выбор этих устройств зависит прежде всего от характеристики контролируемой среды и диапазона изменения контролируемого параметра. При непосредственном контакте чувствительного элемента с контролируемой средой возможно нежелательное влияние пищевых продуктов, прежде всего эрозионного и коррозионного характера, на конструктивные узлы. Быстрая коррозия материалов, из которых изготовлены чувствительные элементы, происходит под действием химически активных составляющих пищевых продуктов. Поэтому широко применяют конструкцию из нержавеющей стали, нанося на них антикоррозионные покрытия, и принимают другие меры по уменьшению коррозии. При выборе чувствительных элементов необходимо учитывать также возможное влияние материалов, из которых они изготовлены, на качество продуктов. Недопустимо образование химических соединений, вредно влияющих на пищевые продукты, изменяющих их цвет, ухудшающих вкусовые качества и нарушающих необходимые условия стерильности. Использование в мясной и молочной промышленности высокочастотных и ультразвуковых приборов требует тщательного анализа возможности вредного влияния излучений на качество продуктов. Отдельные производства мясной и молочной промышленности характеризуются выделением в окружающую среду паров и газов, содержащих агрессивные вещества. В этих условиях необходимо решать вопросы, связанные с защитой приборов от действия агрессивных сред, а также повышенной влажности и запыленности. При выборе диапазона измерения должны учитываться возможные значения контролируемого параметра в условиях нормальной работы, а также при проведении некоторых дополнительных операций - стерилизации, промывки, дезинфекции и т. д. В этих режимах значение контролируемого параметра может значительно отклоняться от номинального и поэтому либо должен быть расширен диапазон измерения, либо предусмотрены меры по защите измерительных приборов. Приближенная оценка динамических свойств этих элементов осуществляется с помощью их паспортных данных. Для более точной оценки необходимо пользоваться экспериментальными данными, однако в период проектирования это часто неосуществимо. Выбор линии связи. Он в основном определяется видом энергии, принятым в проектируемой системе, расстоянием от места измерения и характеристикой внешней окружающей среды. В большинстве случаев измерительные приборы комплектуются преобразователями разных видов, позволяющими получать унифицированные сигналы и передавать их на расстояние. Специальные дистанционные передачи не требуются лишь при измерении температуры с помощью термопреобразователей сопротивления и термоэлектрических преобразователей, так как устройство вторичных приборов этих чувствительных элементов обеспечивает определенную дистанционность передачи показаний. Однако и в этом случае унифицированные сигналы могут быть получены с помощью измерительных (нормирующих) преобразователей. По виду энергии дистанционные передачи делятся на пневматические и электрические. Пневматические дистанционные передачи обладают тем преимуществом, что они могут быть применены в пожаро- и взрывоопасных помещениях. Применение пневматической дистанционной передачи определяется использованием на данном объекте систем пневматических приборов и регуляторов. Диапазон изменения измерительного сигнала представляет собой изменение давления сжатого воздуха в интервале 0,02-0,1 МПа (0,2-1 кгс/см2); основная погрешность вторичного прибора 1 %. Пневматическая дистанционная передача широко используется при автоматизации процессов пищевой промышленности. Однако необходимо учесть, что эта передача обладает значительной инерционностью, которая ограничивает дистанционность передачи в пределах 300 м при диаметре импульсной линии 6 мм. Увеличение расстояния приводит к значительным запаздываниям в передаче сигналов. Так, постоянная времени трубопровода внутренним диаметром 5 мм при внесении на вход скачкообразного возмущения по давлению 0,1 МПа (1 кгс/см2) при длине трубопровода 100 м составляет 3-4 с, время запаздывания 0,5-0,7 с. При длине трубопровода 200 м эти величины соответственно составляют 10-12 и 1-2 с, а при длине 300 м − 16-20 и 2,5-3 с. Как известно, переходный процесс заканчивается через 3-4 T, что определяет значительные запаздывания при увеличении расстояния, на которое передается сигнал. С достаточной для практики точностью пневмопровод можно представить как объект с сосредоточенными параметрами и охарактеризовать его динамические свойства постоянной времени T и временем запаздывания τ0. Известно несколько выражений для аналитического определения τ0 и Т. В первом приближении можно пользоваться такими выражениями: τ0=L/υзв; Т=32ηL/ p0μd2, где L - длина пневмопровода, м; υзв - скорость звука в воздухе, м/с; η - динамический коэффициент вязкости воздуха, Па∙с; p0 - начальное давление воздуха в пневмопроводе, Па; μ - показатель адиабаты; d - внутренний диаметр пневмопровода, мм. Так как динамические свойства пневмопровода зависят от его длины и диаметра, то в настоящее время оптимальным считается внутренний диаметр d = 4,8 мм при L < 300 м, что соответствует размерам пневмотрубки 8х1,6 мм. Однако при длине 100-200 м выигрыш в быстродействии пневмопередачи при применении этих пневмотрубок незначителен по сравнению с трубками размером 6x1 мм. Поэтому последние широко применяются на таких расстояниях из-за экономии материала. Электрические дистанционные передачи показаний являются практически безинерционными и обладают большой дистанционностью. Дистанционность передачи показаний при измерении температуры термопреобразователями сопротивления и термоэлектрическими преобразователями зависит как от сопротивления соединительных проводов, так и от вида вторичных приборов. Так, при измерении температуры термопреобразователем сопротивления и автоматическим электронным уравновешенным мостом при использовании в качестве соединительных линий медных проводов сечением 1,5 мм2 максимальное расстояние от чувствительного элемента до вторичного прибора составляет 200 м. Если в качестве вторичных приборов используются логометры, то максимальное расстояние может быть до 600 м. При использовании термопар в комплекте с автоматическими электронными потенциометрами максимальное расстояние составляет 200 м (гр. ХК) и 500 м (гр. ХА), если в качестве соединительных линий используются термоэлектродные провода. Выбор вторичного прибора. Этот выбор определяется видом измеряемой величины, характеристикой внешней окружающей среды и метрологическими требованиями. Вторичные приборы можно разделить на ряд групп по разным классификационным признакам: • по классу точности - прецизионные (класс точности 0,25 и выше), средней (0,5 и 1,0) и низкой (1,5 и ниже) точности; • по динамическим свойствам, характеризующимся временем пробега шкалы указателем, − быстродействующие (0,25 - 0,5 с), среднего (1-10 с) и низкого (до 16 с) быстродействия; • по габаритам − нормального габарита (размер по лицевой стороне 400х400 мм), малогабаритные (240х320 мм) и миниатюрные (160х200 мм). Эти размеры приведены для электрических показывающих и самопишущих приборов. Пневматические показывающие приборы кроме основного размера 160 X 200 мм выпускаются также размерами 60х160 и 80х160 мм; • по числу измеряемых величин − одно- и многоканальные (одно- и многоточечные); • по виду шкалы − с прямолинейным, круглым, профильным, вращающимся циферблатом; • по характеристике исполнения − в нормальном для работы при температуре 10-35 °С и относительной влажности от 30 до 80 %, а также в тропическом и искробезопасном; • по характеру отсчета измеряемой величины − цифровые, аналоговые и дискретно-аналоговые. Выбор функции измерения (показания, запись) определяется условиями организации системы автоматического контроля. Показывающие приборы применяются для оперативного визуального контроля, когда по их показаниям со щита управления ведется дистанционное управление, а также для эпизодического контроля второстепенных параметров. В ряде случаев удобно объединение нескольких контролируемых величин на одном показывающем приборе с помощью переключателя. Показания нескольких величин рекомендуется объединять при наличии одинаковых точек измерения в однотипных параллельных агрегатах, процессах, линиях; одинаковых точек измерения в эксплуатационном и резервном агрегатах, машинах; различных точек измерения, характеризующих распределение измеряемых величин в пространстве (температурное поле, поле газового состояния, поле концентраций). В то же время необходимо избегать объединения показаний нескольких величин на одном приборе в случае контроля величин, последовательно расположенных в производственных процессах, разных физических величин, одинаковых величин разнотипных агрегатов. Все важнейшие показатели технологических процессов должны контролироваться показывающими самопишущими приборами. Регистрация показаний дает возможность контролировать ход процесса за определенный отрезок времени, оценить влияние основных возмущающих факторов и методов ведения технологии на конечный результат процесса. Кроме того, на основании регистрации отдельных величин выполняется расчет обобщенных технико-экономических показателей процесса. При анализе диаграмм самопишущих приборов с записью параметров следует учесть, что погрешность записи возрастает по сравнению с погрешностью показаний и может достигать удвоенного значения основной погрешности. Самопишущие приборы выпускаются одно- и многоточечными. Объединение записи нескольких параметров на одном приборе может быть весьма эффективным в случае одновременной регистрации аналогичных величин для их сравнения при анализе процесса, величин, характеризующих какую-либо одну среду или процесс, и_т.д. Однако регистрирующие приборы не рекомендуется применять для одновременной записи нескольких величин, если кривые записи накладываются одна на другую или перекрываются, а также для записи величин, между которыми нет взаимосвязи. В общем случае объединение на одном показывающем или самопишущем приборе нескольких контролируемых величин позволяет, значительно сократить число приборов, улучшить технико-экономические и эксплуатационные показатели системы. В ряде случаев сокращение числа приборов на щитах управления может быть достигнуто за счет частичной замены измерительных приборов устройствами сигнализации. Эффективным является также использование средств вычислительной техники для обработки и представления информации оператору . При выборе самопишущих приборов следует обратить внимание на координаты записи (полярные или прямоугольные), так как использование дисковой или ленточной диаграммы имеет свои особенности. Так, самопишущие приборы с ленточной диаграммой обладают рядом преимуществ по сравнению с дисковыми: большое время непрерывной записи (до 30 суток); большой диапазон скоростей движения ленты; удобство расчетов, сопоставлений, планиметрирования, изучения переходных процессов; возможность записи нескольких контролируемых величин. В то же время приборы с дисковой диаграммой позволяют одновременно на одной диаграмме охватить весь ход циклического процесса и оценить его режимные условия. Кроме того, длина шкалы приборов с дисковой диаграммой примерно в 3 раза больше, чем ленточных приборов тех же габаритов. Выбор размера шкалы и габаритов приборов определяется необходимой точностью отсчета, так как это связано с ценой деления шкалы, удобством наблюдения с определенного расстояния и компоновки приборов на щитах. Так, диаметр или длина шкалы полногабаритных приборов составляет 250 мм, малогабаритных 160 мм, миниатюрных 100 мм, поэтому несмотря на значительное уменьшение площади щитов (на 45-60 %) при использовании миниатюрных приборов следует учитывать также точность отсчета, надежность в эксплуатации, удобство монтажа и обслуживания. Выбор характера отсчета зависит от динамических свойств контролируемого процесса. Так, для контроля и регулирования быстро протекающих процессов целесообразно использовать приборы с аналоговым отсчетом. Приборы с цифровым отсчетом лучше применять при контроле медленно изменяющихся величин, когда необходимо отобразить информацию с высокой точностью. Приборы с дискретно-аналоговым отсчетом, например милливольтметры с двухкоординатным электролюминесцентным дискретно-аналоговым отсчетным устройством, отличаются высокой надежностью и их целесообразно применять при контроле и регулировании динамических процессов в случае множества параметров, когда измеряемые величины могут быть представлены с помощью группы приборов в виде гистограммы. При выборе вторичных приборов важным показателем является диапазон шкалы, который должен охватывать все возможные рабочие значения измеряемой величины с учетом ее максимальных значений. Следует помнить, что расширение диапазона влечет за собою увеличение ошибки при данном классе точности. Для большинства технологических измерений максимум измеряемой величины может лежать в пределах последней четверти диапазона шкалы, за исключением приборов с упругими чувствительными элементами, на показаниях которых сказываются явления гистерезиса. В этом случае при резко переменных нагрузках максимум измеряемой величины должен лежать в пределах 0,5-0,7 диапазона шкалы. Иногда необходимо учесть и существующие внережимные факторы, которые могут вызвать увеличение измеряемого параметра выше его максимального значения, например рост температуры при стерилизации и др. При возникновении таких ситуаций необходимо отключить прибор либо расширить диапазон его измерения. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Поиск |