Ключников В.В. Проектирование систем управления технологическими процессами и аппаратами пищевых производств

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования «Алтайский государственный технический университет

им. И. И. Ползунова»

В. В. Ключников

Проектирование систем управления технологическими процессами

и аппаратами пищевых производств (задачи и упражнения)

Учебное пособие

Изд-во АлтГТУ

Барнаул•2010

УДК 664:658.011.56.001.63(076.1)

Ключников, В. В. Проектирование систем управления технологическими процессами

и аппаратами пищевых производств (задачи и упражнения): учебное пособие [Текст]

/ В. В. Ключников. – Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2010. – 161 с.

ISBN 978-5-7568-0817-9

В учебном пособии даны задачи и упражнения для приобретения практических навы-

ков чтения и оформления функциональных, принципиальных электрических и пневматиче-

ских схем автоматизации технологических процессов и аппаратов. Приведены варианты за-

даний по выбору регулятора для систем автоматического регулирования исходя из парамет-

ров объекта управления и требований к параметрам качества управления технологическими

процессами и аппаратами, а также задачи по решению часто встречающихся на практике и в

процессе дипломного проектирования электротехнических расчетов и выбору электрических

и пневматических механизмов.

Пособие предназначено для студентов специальностей 260601 – «Машины и аппараты

пищевых производств», 260201 – «Технология хранения и переработки зерна», 260202 –

«Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий», 260204 – «Технология бродиль-

ных производств и виноделия», 260303 – «Технология молока и молочных продуктов»,

260501 – «Технология продуктов общественного питания», а также может быть использован

преподавателями для контроля остаточных знаний.

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

Козлов Л. А., зав. кафедрой САПР АлтГТУ, д. т. н., профессор;

Капустин Н. И., к.т.н., доцент кафедры «Механизация переработки

сельскохозяйственной продукции» АГАУ.

ISBN 978-5-7568-0817-9

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................................................................5

Глава 1 ЗАДАЧИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ..........................................6

1.1 Порядок выполнения функциональных схем ...................................................................................................6

1.2 Пример выполнения функциональных схем автоматизации технических процессов и аппаратов.............5

1.3 Варианты задач ..................................................................................................................................................12

Глава 2 ЗАДАЧИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ................................ 49

2.1 Примеры решения задач ................................................................................................................................... 48

2.2 Варианты заданий.............................................................................................................................................. 50

Глава 3 ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПНЕВМОПРИВОДОМ.........64

3.1 Принцип управления пневмоприводом........................................................................................................... 63

3.2 Пример описания работы пневматической принципиальной схемы............................................................64

3.3 Варианты пневматических принципиальных схем для описания................................................................. 66

Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ

ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ И ВЫБОР РЕГУЛЯТОРА ...............................................................................................72

4.1 Порядок выполнения задания........................................................................................................................... 72

4.1.1 Определение основных характеристик объекта регулирования .........................................................72

4.1.2 Выбор типа регулятора ...........................................................................................................................73

4.1.3 Выбор закона регулирования .................................................................................................................73

4.2 Пример выбора регулятора и расчета его настроек........................................................................................ 75

4.3 Варианты заданий.............................................................................................................................................. 78

Глава 5 РЕШЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ........................................................................................... 80

5.1 Выбор электродвигателя по мощности на валу и характеру работы механизмов.......................................80

5.1.1 Расчет мощности потребления электродвигателями ...........................................................................80

5.1.2 Примеры решения задач .........................................................................................................................83

5.1.3 Варианты заданий.................................................................................................................................... 85

5.2 Определение потребляемой мощности и выбор трансформатора для предприятий

пищевой переработки..................................................................................................................................................... 86

5.2.1 Пример решения......................................................................................................................................91

5.2.2 Варианты заданий.................................................................................................................................... 94

5.3 Расчет и выбор сечения кабелей и защитных устройств ...............................................................................96

5.3.1 Расчет и выбор сечения кабелей ............................................................................................................96

5.3.2 Проверка выбранного сечения на потерю напряжения ....................................................................... 97

5.3.3 Расчет и выбор защитных устройств электродвигателей ....................................................................98

5.3.4 Пример решения и варианты заданий .................................................................................................102

5.4 Расчет осветительной сети..............................................................................................................................105

5.4.1 Расчет освещения по методу коэффициента использования светового потока...............................105

5.4.2 Расчет освещения по методу удельной мощности .............................................................................110

Глава 6 ЗАДАЧИ ПО ПНЕВМОАВТОМАТИКЕ ......................................................................................................105

6.1 Выбор и расчет пневматических поршневых исполнительных механизмов ............................................. 113

6.1.1 Порядок выполнения расчета...............................................................................................................113

6.1.2 Пример выбора и расчета пневматического беспружинного поршневого исполнительного

механизма с односторонним штоком..........................................................................................................................116

6.1.3 Варианты заданий для выбора и расчета пневматического поршневого

исполнительного механизма........................................................................................................................................ 118

6.2 Расчет быстродействия пневматических исполнительных механизмов .................................................... 119

6.2.1 Порядок выполнения расчета...............................................................................................................119

6.2.2 Пример выполнения расчета быстродействия.................................................................................... 123

6.2.3 Варианты заданий для расчета быстродействия пневматического поршневого

исполнительного механизма........................................................................................................................................ 126

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................................................................. 127

ПРИЛОЖЕНИЕ А ГОСТ 21.404-85 Автоматизация технологических процессов.

Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах.....................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Обозначения электропневматических устройств и их элементов в схемах ............................135

ПРИЛОЖЕНИЕ В Примеры схем автоматизации участка технологического процесса .......................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Условные обозначения на электрических схемах......................................................................160

ВВЕДЕНИЕ

Цель настоящего пособия – помочь студентам очной и заочной форм обучения освоить

практические навыки чтения схем и построение систем управления технологическими процессами

и аппаратами производств пищевой переработки по курсам «Системы управления технологиче-

скими процессами», «Автоматизированные системы управления технологическими процессами»,

«Управление техническими системами» для специальностей 260201 – «Технология хранения и

переработки зерна», 260202 – «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий», 260204 –

«Технология бродильных производств и виноделия», 260303 – «Технология молока и молочных

продуктов», 260501 – «Технология продуктов и общественного питания», 260601 – «Машины и

аппараты пищевых производств».

Практические навыки осваиваются при выполнении самостоятельной работы студентов и

закреплении знаний при выполнении практических работ, предусмотренных в программах курсов.

В настоящее время автоматизирование систем управления технологическими процессами

пищевых производств уже не является новинкой. В качестве средств сбора и обработки информа-

ции, выдачи управляющих воздействий и визуализации процессов применяются как вычисли-

тельная техника, в виде персональных компьютеров (ПК) и контроллеров, так и локальная техника

в виде автоматических регуляторов с отображением информации.

Однако, независимо от применяемых средств автоматизации, при проектировании систем

обязательными и основными документами являются функциональные и принципиальные схемы

автоматизации участков, цехов. На функциональной схеме отражены все функции, а также связи

средств автоматизации между собой. На принципиальных схемах конкретизируются соединения,

блокировки, образующие маршруты управления, автоблокировки цепей управления.

Особенностью автоматизации пищевых производств является большое разнообразие аппа-

ратурного оформления процессов. При переработке и хранении зерновых культур используются

зерноочистительные машины, мельничное оборудование, зернохранилища и зерносушилки; при

производстве хлебобулочных и кондитерских изделий используется большая разновидность печей

и оборудования для приготовления дрожжей и тестовых заготовок, при переработке молока, а

также вино-водочных изделий свое оборудование.

Учитывая эти особенности, в первой главе пособия приведены задачи по составлению

фрагментов функциональных схем автоматизации для каждой из специальностей. Правила и зада-

чи по составлению функциональных схем приведены как с использованием автоматизированного

рабочего места (АРМ) оператора ПК, так и пультов управления с указанием характера визуализа-

ции параметров процесса на мнемосхемах и кнопок управления.

Во второй и третей главах рассматриваются задачи на составление и чтение принципи-

альных схем и включают широко применяемые схемы управления электродвигателями перемен-

ного тока и пневмоприводами.

В четвертой главе дан порядок экспериментального определения параметров передаточ-

ной функции объектов с последующим выбором в зависимости от требований к качеству техноло-

гического процесса типа (алгоритма) регулятора.

В пятой и шестой главах приведены часто встречающиеся в практике задачи по электро-

техническим расчётам и расчётам при выборе пневмоприводов. Применение пневмоприводов в

оборудовании пищевых производств является объективным фактором, учитывая их высокую на-

дежность работы и долговечность во влажной среде (в отрасли переработки молока и производст-

ве вино-водочных изделий), а также взрыво- и пожаробезопастность (в отрасли зернопереработ-

ки).

Задачи, приведенные в пособии, закрепляют теоретический материал, полученный на лек-

циях, лабораторных работах по дисциплинам «Системы управления технологическими процесса-

ми», «Автоматизированные системы управления технологическими процессами», «Управление

техническими системами», а также могут быть применены для тестовых оценок знаний студентов.

Глава 1 ЗАДАЧИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ

АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

И АППАРАТОВ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

1.1 Порядок выполнения функциональных схем

Функциональные схемы автоматизации состоят из двух частей. Первая располагается

в верхней части листа и представляет собой упрощенный технологический процесс с нанесе-

нием обозначений информационных датчиков и исполнительных механизмов; вторая часть

листа занимает обозначение мест расположения приборов с обозначением их функций и свя-

зей между ними.

Каждый информационный и управляющий каналы должны иметь нумерацию как на

технологической схеме, так и в таблице расположения приборов. Порядковая нумерация ка-

налов начинается с таблицы расположения приборов и выносится вверх таблицы по горизон-

тали. На технологической части нумерация каналов должна совпадать с нумерацией каналов,

расположенных в таблице приборов, и выносится на горизонтали ниже технологического

процесса либо выше его без соблюдения порядковой нумерации.

Порядок выполнения функциональных схем автоматизации:

– согласно заданию необходимо расставить на технологической схеме инфор-

мационные датчики и исполнительные механизмы, расположенные рядом с

оборудованием. Вывести каналы на горизонтали без обозначения каналов;

– обозначить контуры управления, начиная нумерацию от датчиков информа-

ции до управляющего механизма, обозначить эти каналы в таблице расположе-

ния приборов и пронумеровать;

– проставить номера каналов на технологической части.

Правила обозначения информационных датчиков и исполнительных механизмов на

технологической части и в таблице обозначения приборов приведены в ГОСТ 21.404-85 «Ав-

томатизация технологических процессов» (Приложение А).

1.2 Пример выполнения функциональных схем автоматизации

технических процессов и аппаратов

Задание. Обозначьте элементы и приборы автоматизации на рисунке 1.2.1

при следующих условиях.

1. Нория приводится в движение электродвигателем: по месту и на пульте – кнопки

управления; контроль работы нории ведётся с помощью датчиков скорости и уровня зерна в

башмаке нории с отображением при срабатывании светового сигнала на пульте и звукового

сигнала по месту с одновременным отключением (блокировкой) двигателя нории. Включен-

ное состояние нории отображается на АРМ. Магнитный пускатель расположен в щитовой.

2. Контроль количества зерна, подаваемого в бункер, ведётся с помощью расходоме-

ра, связанного с показывающим прибором на пульте.

3. Информация о температуре зерна в бункере отображается на показывающем при-

боре, расположенном на пульте.

4. Контроль верхнего уровня в бункере ведётся датчиком с отображением светового

сигнала на пульте и звукового сигнала по месту.

5. Задвижка для выпуска зерна открывается вручную.

АРМ – автоматизированное рабочее место оператора.

Рисунок 1.2.1 – Подача зерна в бункер

Решение. Согласно пункту 1 данного задания схема примет следующий вид:

Рисунок 1.2.2 – Функциональная схема автоматизации подачи зерна

в бункер, выполненная по 1 пункту задания

где – датчик скорости (первичный преобразователь скорости в электрический

сигнал);

– датчик уровня зерна в башмаке нории (первичный преобразователь уровня

зерна в электрический сигнал);

– электродвигатель нории;

– кнопки управления по месту и на АРМ соответственно;

– звуковая сигнализация по месту и световая сигнализация на пульте;

– магнитный пускатель;

– преобразователи слаботочных сигналов датчиков скорости и уровня в сигналы

достаточной мощности включения и отключения магнитных пускателей.

Стрелкой показано, что при срабатывании датчика скорости (движения) в случае ос-

тановки ленты нории (обрыва, заклинивания) или датчика уровня (верхнего) зерна в башмаке

нории, сигналы с них подаются на электродвигатель нории М, и он выключается.

Согласно пунктам 2, 3, 4 и 5 данного задания схема примет следующий окончательный вид

(рисунок 1.2.3).

Рисунок 1.2.3 – Функциональная схема автоматизации подачи зерна

в бункер полностью согласно заданию

где – первичный преобразователь расхода зерна в электрический сигнал;

– показывающий прибор расхода зерна;

– первичный преобразователь уровня в электрический сигнал;

– означает, что задвижка открывается вручную.

Стрелкой показано, что при срабатывании датчика верхнего уровня сигнал с него по-

дается на электродвигатель нории М, и он выключается.

Задание. Обозначьте элементы и приборы автоматизации на рисунке 1.2.4

с применением персонального компьютера (ПК) при следующих условиях.

1. Нория приводится в движение электродвигателем. Магнитный пускатель установ-

лен в щитовой, по месту и на АРМ кнопки управления. Контролируется работа нории при

обрыве и проскальзывании ленты датчиком РКС и уровень зерна в башмаке нории с отобра-

жением на мониторе ПК.

2. Контроль количества зерна, подаваемого в бункер норией, ведётся с помощью рас-

ходомера, с визуализацией показаний на мониторе ПК.

3. Привод задвижки – электромагнитный. На ПК контролируется положение

задвижки.

4. Контроль верхнего уровня в бункере ведётся датчиком уровня. При срабатывании

датчика верхнего уровня в башмаке, а также датчика РКС происходит отключение нории. На

ПК выводятся сообщения о неисправностях.

Рисунок 1.2.4 – Подача зерна в бункер

Решение.

Рисунок 1.2.5 – Функциональная схема автоматизации подачи зерна

в бункер, выполненная по 1 пункту задания

где УСО ввода означает устройство преобразования информации с датчиков объекта

управления для ввода в персональный компьютер (ПК).

УСО вывода означает устройства преобразования сигналов, выводимых из ПК, с вхо-

дами исполнительных механизмов объекта управления.

– первичный преобразователь скорости ленты в электрический сигнал;

и - первичный преобразователь уровня зерна в электрический сигнал.

Рисунок 1.2.6 – Функциональная схема автоматизации подачи зерна

в бункер, выполненная согласно заданию