Курсовая работа: Разработка схемы автоматизации однокорпусной выпарной установки

Введение

Автоматизация играет решающую роль при организации промышленного производства по принципу: выпуск заданного количества продукции при минимуме материальных затрат и затрат ручного труда. В особенности актуальной автоматизация становится в отраслях промышленности, конечная продукция которых находит массовый спрос у потребителя и используется практический во всех производственных процессах. Автоматизированные системы управления технологическими процессами в пищевой промышленности являются высшим этапом комплексной автоматизации и призваны обеспечить существенное увеличение производительности труда, улучшения качества выпускаемой продукции и других технико-экономических показателей производства, а также защиту окружающей среды. Специалист в области разработки АСУТП должен владеть теорией автоматического регулирования и управления, разбираться в конструкциях и основах технологии производственных агрегатов, достаточно свободно ориентироваться в работе ЭВМ, математическом и алгоритмическом обеспечения, уметь правильно применять средства информационной и управляющей техники.

Современное производство характеризуется многообразием связей между отдельными процессами и необходимостью их четкой последовательности. Непрерывное и поточное производство, а также высокие скорости протекания отдельных операций вызывают необходимость в сокращении времени перехода от одной операции к другой, повышают требования к быстродействию, точности и объективности управления, которое стало практически невыполнимым для человека. Развитие современного производства идет по пути создания высокоэффективных промышленных установок, сопровождается интенсификацией технологических и производственных процессов и систем управления ими. При этом постепенно был осуществлен переход от ручного управления технологическими процессами к автоматизированным и далее - к полностью автоматическим.

Целью курсовой работы является ознакомление с принципами построения современных систем автоматизации технологических процессов, реализованных на базе промышленных контроллеров и ЭВМ. В настоящее время такие системы широко внедряются на предприятиях. В ходе выполнения курсовой работы решаются следующие задачи:

1) ознакомление с методикой разработки функциональных схем автоматизации технологических процессов на базе серийно выпускаемых приборов и промышленных контроллеров;

2) ознакомление с характеристиками современных приборов и средств автоматизации;

3) изучение основных подходов к обоснованному выбору приборов и технических средств автоматизации;

4) изучение действующих стандартов и других нормативных документов, регламентирующих правила оформления технической документации по автоматизации технологических процессов.

1. Исходные данные на проектирование

1.1 Схема установки и описание её работы

Рассмотрим описание технологического процесса выпаривания в однокорпусной выпарной установке на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема технологического процесса выпаривания

Исходный продукт подаётся на выпаривание в однокорпусной выпарной аппарат 2 из сборника 1 центробежным насосом Н1. Выпарной аппарат обогревается водяным паром давлением 200 кПа. Концентрированный продукт откачивается в сборник 3 центробежным насосом Н2.

1.2 Перечень контролируемых и регулируемых параметров

Автоматическое регулирование:

? концентрация готового продукта (расходом пара);

? давление греющего пара;

? уровень в аппарате (расходом исходного продукта).

Измерение и регистрация на ЭВМ:

? расход готового продукта;

? концентрация готового продукта.

Измерение:

? расход греющего пара;

? концентрация исходного продукта;

? давление в аппарате;

? температура готового продукта;

? уровень в аппарате;

? уровень в сборнике 3.

Сигнализация:

? уровень в сборнике 1;

?давление греющего пара.

Автоматическая блокировка:

? отключение пара при отключении насоса Н1.

Управление:

? включение и отключение двигателя насоса Н1;

? включение и отключение двигателя насоса Н2.

1.3 Материальный и тепловой баланс. Расчёт диаметров трубопровода

Техническая характеристика оборудования, используемого в технологическом процессе выпаривания в однокорпусной установке:

1) производительность по готовому продукту - 4 т/ч;

2) температура пара - 119,6 °С;

3) плотность пара - 1,107 кг/м3;

4) коэффициент парообразования - 2208 кДж/кг;

5) плотность исходного продукта - 1028 кг/м3;

6) выпаривается 20 % воды;

7) температура продукта на входе - 20°С;

8) температура продукта на выходе - 100°С;

9) давление пара - 200 кПа.

Диаметры трубопроводов можно определить по объёмному расходу:

где - расход продукта, м3/с;

W - скорость продукта, м/с;

F - площадь поперечного сечения трубопровода, м2;

d - внутренний диаметр трубопровода, м.

Из формулы (1) получим:

При расчётах трубопроводов скорость движения (м/с) ориентировочно может быть принята в следующих интервалах:

1) движение жидкости при подаче насосом: 1 - 2,5 м/с;

2) движении самотеком: 0,1 - 0,5 м/с;

3) для газов: 5 - 20 м/с;

4) для паров: 15 - 40 м/с.

Определим расход исходного продукта и диаметр трубопровода для его подачи.

Рассчитаем массовый расход исходного продукта:

Тогда объёмный расход вычислим по формуле:

где G - массовый расход, кг/с;

с - плотность, кг/м3.

Зная объёмный расход и принимая (т.к. исходный продукт подаётся насосом), определим диаметр трубопровода по формуле (2):

Принимаем d1=32 мм.

Определим расход и диаметр трубопровода для подачи греющего пара.

По тепловой нагрузке аппарата можно определить расход греющего пара, для этого можно воспользоваться следующим выражением, полученным из уравнения теплового баланса:

где 1,08 - постоянный коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду;

G - расход продукта, кг/с;

С - теплоёмкость продукта, Дж/кг•К;

r - удельная теплота парообразования (определяется по таблицам в зависимости от давления), Дж/кг;

tн, tк - начальная и конечная температуры нагреваемого продукта.

Подставив в формулу (4) числовые значения получаем:

Находим объёмный расход пара по формуле (3):

где с=1,107 кг/м3 ? плотность греющего пара.

Зная объёмный расход пара, определим диаметр трубопровода для подачи пара по формуле (2):

где W = 30 м/с - скорость движения пара.

Принимаем d2 = 300 мм.

Определим объёмный расход и диаметр трубопровода для выпаренного (готового) продукта.

Из технической характеристики массовый расход готового продукта:

G3 = 4 т/ч = 1,111 кг/с.

Объёмный расход выпаренного (готового) продукта согласно формуле (3) составит:

где кг/м3 - плотность выпаренного продукта.

Определим диаметр трубопровода по формуле (2):

где W = 2 м/с, т.к. выпаренный продукт отводится насосом.

Принимаем d3=25 мм.

Определим объёмный расход и диаметр трубопровода для отвода вторичного пара.

Из технической характеристики массовый расход вторичного пара:

.

Тогда объёмный расход вторичного пара по формуле (3) составит:

где кг/м3 - плотность вторичного пара.

Диаметр трубопровода для отвода вторичного пара согласно формуле (2):

где W = 30 м/с - скорость движения вторичного пара.

Принимаем d4=100 мм.

Таким образом, были получены следующие значения диаметров трубопроводов:

1) трубопровод исходного продукта - 32 мм;

2) трубопровод пара - 300 мм;

3) трубопровод готового продукта - 25 мм;

4) трубопровод вторичного пара - 100 мм.

1.4 Техническая характеристика объекта автоматизации

Таблица 1 ? Технические характеристики

2. Разработка функциональной схемы автоматизации

Схема построена на базе контроллера ADAM-5000, укомплектованного соответствующим набором модулей ввода/вывода. Контроллер связан с ЭВМ через сеть Ethernet. Управляющая ЭВМ таким образом используется для вывода на экран значений технологических переменных, регистрации и сигнализации их предельных значений. Также ЭВМ формирует законы управления исполнительными механизмами.

Для измерения концентрации готового продукта используется концентратомер кондуктометрический. Данный концентратомер состоит из чувствительного элемента поз.QE-1а, установленного на трубопроводе, и преобразователя концентрации поз. QT-1б с выходным унифицированным токовым сигналом (4-20 мА), который подаётся на вход модуля аналогового ввода AI ADAM-5017 контроллера ADAM-5000. Этот модуль предназначен для ввода унифицированного токового сигнала (4-20 мА). Регулирование концентрации готового продукта осуществляется путём изменения расхода греющего пара регулирующим органом, установленным на трубопроводе подачи греющего пара. Этот регулирующий орган оснащён электродвигательным исполнительным механизмом поз. 1д. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO ADAM-5056 через магнитный пускатель поз. NS-1в. Исходя из особенностей управления электродвигательным исполнительным механизмом, в схеме задействовано два канала дискретного вывода. Для ручного управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция поз. HS-1г, установленная по месту. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода DI ADAM-5051.

Измерение давления греющего пара осуществляется при помощи преобразователя избыточного давления поз. РТ-2а, с которого унифицированный сигнал тока 4-20 мА поступает на модуль аналогового ввода AI ADAM-5017. Регулирование давления осуществляется за счёт изменения расхода пара регулирующим органом с электрическим исполнительным механизмом поз. 2г. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO ADAM-5056 через магнитный пускатель поз. NS-2б. Исходя из особенностей управления электродвигательным исполнительным механизмом, в схеме задействовано два канала дискретного вывода. Для ручного управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция поз. HS-1в, установленная по месту. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода DI ADAM-5051. Для сигнализации предельно допустимого давления на щите установлена сигнальная лампа HL1. Эта лампа подключена к модулю дискретного вывода DO ADAM-5056.

Для измерения уровня в аппарате используется волновой уровнемер. Данный уровнемер состоит из зонда поз. LE-3а, погружаемого непосредственно в раствор, и преобразователя поз. LT-3б, установленного рядом с оборудованием. На выходе из преобразователя формируется унифицированный токовый сигнал (4-20 мА), который подаётся на вторичный показывающий прибор поз. LI-3в и на вход модуля аналогового ввода AI ADAM-5017 контроллера ADAM-5000. Регулирование уровня в аппарате осуществляется путём изменения расхода исходного продукта регулирующим органом, установленным на трубопроводе подачи исходного продукта. Этот регулирующий орган оснащён электродвигательным исполнительным механизмом поз. 3е. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO ADAM-5056 через магнитный пускатель поз. NS-3г. Исходя из особенностей управления электродвигательным исполнительным механизмом, в схеме задействовано два канала дискретного вывода. Для ручного управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция поз. HS-3д по месту.

Измерение расхода готового продукта осуществляется при помощи интеллектуального вихревого расходомера, который состоит из чувствительного элемента поз. FE-4а, находящегося непосредственно в трубопроводе, и преобразователя поз. FT-4б, с которого унифицированный сигнал тока 4-20 мА поступает на модуль аналогового ввода AI ADAM-5017 контроллера ADAM-5000.

Измерение расхода греющего пара производится при помощи интеллектуального вихревого расходомера, который состоит из чувствительного элемента поз. FE-5а, находящегося непосредственно в трубопроводе, и преобразователя поз. FT-5б, с которого унифицированный токовый сигнал (4-20 мА) поступает на вторичный показывающий прибор поз. FI-6в и на модуль аналогового ввода

AI ADAM-5017 контроллера ADAM-5000.

Измерение концентрации исходного продукта осуществляется при помощи концентратомера кондуктометрического. Данный концентратомер состоит из чувствительного элемента поз.QE-6а, установленного на трубопроводе, и преобразователя концентрации поз. QT-6б с выходным унифицированным токовым сигналом (4-20 мА), который подаётся на вторичный показывающий прибор поз. QI-6в и на вход модуля аналогового ввода AI ADAM-5017 контроллера ADAM-5000.

Измерение давления в аппарате производится при помощи преобразователя избыточного давления поз.PT-7а, установленного по месту, с выходным унифицированным токовым сигналом 4-20мА, который подаётся на вторичный показывающий прибор поз.PI-7б и на вход модуля аналогового ввода AI ADAM-5017 контроллера ADAM-5000.