Практические занятия - Автоматизированные системы управления энергопотреблением

Подождите немного. Документ загружается.

Пример 1.8. Схема материальных потоков и их информационных пе-

ременных процесса оксимирования

Из 1-ой ступени

оксимирования

Типичная схема материальных потоков и их информационных переменных,

приближенная к тому что может реально встретиться на практике

Приложение 3. Обобщающий пример «Процесс переработки обо-

ротного брака» с комментариями (набраны arial)

Анализ технологического процесса как объекта управления.

– конкретная технологическая цель процесса – обязательно с правдоподобными ЦИФ-

РАМИ!

Цель процесса переработки оборотного брака – получение бу-

мажной массы, заданной концентрации (Q

бум.

= 2,5–3,5 %).

– в случае наличия нескольких технологических аппаратов – перечислить их состав и

назначение

Участок переработки оборотного брака состоит из последова-

тельно установленных гидроразбивателя оборотного брака (процесс

роспуска сухого брака) и установки для переработки сухого брака

(процесс смешивания).

– собственно описание процесса как объекта управления

В гидроразбиватель оборотного брака с ленточного конвейера

(двигатель М

) поступает сухой брак, образующийся на продольно-

резательном станке, массой W

б.1

= 12–14,4 кг и подается насосом (дви-

гатель М

) первичная избыточная оборотная вода с расходом

о.в.1

= 0,4–0,6 м

/ч. Уровень L

внутри гидроразбивателя должен со-

ставлять 0,5–1,6 м.

Гидроразбиватель состоит из ванны с ротором, подпорного ящика

и электродвигателя (двигатель М

). Роспуск массы осуществляется

вследствие встречи лопастей вращающегося ротора с расположенны-

ми на днище ванны гидроразбивателя неподвижными планками.

Распущенная масса с концентрацией Q

рас.м

= 4,0–4,5% далее пере-

качивается с помощью насоса (двигатель М

) в установку для перера-

ботки сухого брака под накатом, в которую также поступает сухой

брак с ленточного конвейера (двигатель М

) от машинного каландра и

наката массой W

б.2

= 0,8–0,9 кг и подается насосом вторичная избы-

точная оборотная вода (двигатель М

) с расходом F

о.в.2

= 0,4–0,5 м

/ч.

Уровень L

внутри установки должен составлять 0,5–2,6 м.

Установка для переработки оборотного брака представляет ме-

таллический цилиндрический корпус со встроенной внутри него ме-

шалкой (двигатель М

). Далее бумажная масса подается насосом (дви-

гатель М

) по технологической схеме.

Схема материальных потоков и их информационных переменных

приведена на рис. П.2.1 а.

– на схемах все блоки должны совпадать по размеру и положению

Рис. П.2.1. Схема анализа процесса переработки оборотного брака как

объекта управления: а) схема материальных потоков и их информационных

переменных б) структурная схема системы САУ

Так основной технологической целью процесса переработки обо-

ротного брака является получение бумажной массы концентрации Q =

2,5–3,5%, то целью управления будет стабилизация концентрации бу-

мажной массы на выходе из установки для переработки сухого брака

путем изменения расхода избыточной оборотной воды F.

Для поддержания концентрации заданного значения, необходимо

контролировать расход избыточной оборотной воды, подаваемой в

гидроразбиватель и в установку для переработки сухого брака, массу

сухого брака, поступающего в гидроразбиватель и в установку для пе-

реработки сухого брака, уровни массы в гидроразбивателе и в уста-

новке для переработки сухого брака. Также важной переменной явля-

ется концентрация массы в гидроразбивателе, которая подлежит кон-

тролю и регулированию. Составляем структурную схему системы ав-

томатического управления процессом переработки оборотного брака

(рис. П.2.1 б).

На основании проведенного анализа для управления и контроля

концентрации бумажной массы выбираем систему автоматического

управления по отклонению.

Характеристику переменных, подлежащих контролю и регулиро-

ванию сводим в таблицу П.1.

Параметры, подлежащие контролю и регулированию

Наименование переменной

Значение

перемен-

ной

Допус-

тимые

откло-

нения

Регу-

лиро

ва-

ние

Кон-

троль

Масса сухого брака от ПРС, кг 12–14,4 ±1 + +

Расход избыточной оборотной

воды (в гидроразбиватель),

/ч

0,4–0,6 ±0,1 – +

Концентрация распущенной

массы, %

4,0–4,5 ±0,2 + +

Масса сухого брака от ма-

шинного каландра и наката,

/ч

1,2–1,4 ±0,1 + +

Расход избыточной оборотной

воды (в установку для перера-

бо

ки сухого брака),

/ч

0,4–0,5 ±0,05 – +

Концентрация массы в установке

для переработки сухого брака,

2,5–3,5 ±0,5 + +

Уровень массы в установке

для переработки сухого брака,

0,5–2,6 ±0,1 – +

Уровень массы в гидроразби-

вателе оборотного брака, м

0,5–1,6 ±0,1 – +

Описание функциональной схемы. На основании ГОСТ 21.404–

85 составлена функциональная схема системы автоматизации процес-

са переработки оборотного брака.

Данная схема предусматривает четыре локальные системы управ-

ления:

1) стабилизации концентрации распущенной массы в гидроразби-

вателе путем изменения расхода первичной оборотной воды;

2) стабилизации концентрации бумажной массы в бассейне обо-

ротного брака путем изменения расхода вторичной оборотной воды

(основной контур регулирования);

3) стабилизации расхода мокрого брака в бассейне оборотного

брака путем изменения проходного сечения вентиля на линии его по-

дачи.

– описание всех систем управления процессом

стабилизации концентрации распущенной массы в гидроразбива-

теле путем изменения расхода избыточной оборотной воды;

– стабилизации концентрации бумажной массы в установке для

переработки сухого брака путем изменения расхода избыточной обо-

ротной воды (основной контур регулирования);

– стабилизации массы сухого брака в гидроразбивателе путем из-

менения числа оборотов ленточного конвейера.

– стабилизации массы сухого брака в установке для переработки

сухого брака путем изменения числа оборотов ленточного конвейера.

Система стабилизации концентрации распущенной массы в ги-

роразбивателе. В гидроразбивателе установлен датчик концентрации

распущенной массы (3–1). От него через преобразователь (3–2), по-

ступает сигнал на вход промышленного контроллера (PLC), где срав-

нивается с заданным значением концентрации. При их несоответствии

друг другу, формируется сигнал рассогласования, который с выхода

контроллера поступает на исполнительный механизм (3–7), изменяю-

щий расход первичной избыточной оборотной воды. Исполнительный

механизм оснащён блоком ручного управления (установлен на щите

оператора) для аварийного отключения или включения. Он состоит из

элемента ручного воздействия (3–5), пускового устройства (3–6) и

элементов световой индикации (3–3, 3–4).

Система стабилизации концентрации бумажной массы в уста-

новке для переработки сухого брака. В установке для переработки су-

хого брака установлен датчик концентрации бумажной массы (7–1).

От него через преобразователь (7–2), поступает сигнал на вход про-

мышленного контроллера, где сравнивается с заданным значением

концентрации. При их несоответствии друг другу, формируется сиг-

нал рассогласования (регулирующее воздействие вычисляется по за-

программированному в контроллере алгоритму), который с выхода

контроллера поступает на исполнительный механизм (7–7), изменяю-

щий расход вторичной избыточной оборотной воды. Исполнительный

механизм оснащён блоком ручного управления (установлен на щите

оператора) для аварийного отключения или включения. Он состоит из

элемента ручного воздействия (7–5), пускового устройства (7–6) и

элементов световой индикации (7–3, 7–4).

Система стабилизации массы сухого брака в гидроразбивателе

путем изменения числа оборотов ленточного конвейера. Информация

о массе сухого брака от ПРС поступает с датчика массы (1–1). От него

через преобразователь (1–2) сигнал поступает на вход промышленно-

го контроллера, где сравнивается с заданным значением массы. При

их несоответствии друг другу, формируется сигнал рассогласования,

который с выхода контроллера поступает на исполнительный меха-

низм М1, изменяющий число оборотов ленточного конвейера.

Система стабилизации массы сухого брака в установке для пере-

работки сухого брака путем изменения числа оборотов ленточного

конвейера. Информация о массе сухого брака от машинного каландра

и наката поступает с датчика массы (5–1). От него через преобразова-

тель (5–2) сигнал поступает на вход промышленного контроллера, где

сравнивается с заданным значением массы. При их несоответствии

друг другу, формируется сигнал рассогласования, который с выхода

контроллера поступает на исполнительный механизм М4, изменяю-

щий число оборотов ленточного конвейера.

Кроме того, предусмотрены четыре системы автоматического

контроля:

– уровня распущенной массы (2–1, 2–2) в гидроразбивателе;

– уровня бумажной массы (6–1, 6–2) в установке для переработки

сухого брака;

– расхода избыточной оборотной воды (4–1, 4–2), подаваемой в

гидроразбиватель;

– расхода избыточной оборотной воды (8–1, 8–2), подаваемой в

установку для переработке сухого брака;

Вся информация о переменных технологического процесса пере-

работки оборотного брака передается по сети Industrial Ethernet в дис-

петчерскую систему управления (SCADA-система), где отображается

на мониторе в виде мнемосхемы. SCADA-система позволяет операто-

ру или диспетчеру процесса анализировать и управлять технологиче-

скими переменными процесса по следующим функциональным при-

знакам:

– указать конкретные информационные переменные своего процесса

I – показание (расходы избыточной оборотной воды, масса сухого

брака, концентрации распущенной и бумажной массы, уровни распу-

щенной и бумажной массы);

R – регистрация (расходов оборотной воды, массы сухого брака,

концентрации распущенной и бумажной массы, уровней распущенной

и бумажной массы);

С – управление (концентрацией распущенной и бумажной массы,

массой сухого брака);

S – установка режима (ручной/автоматический);

А – сигнализация (уровни распущенной и бумажной массы).

Разработанная система автоматического управления процессом

переработки оборотного брака позволяет стабилизировать концентра-

цию бумажной массы в более узком диапазоне, что ведет к снижению

ее себестоимости.

Разработанная система автоматического управления процессом

переработки оборотного брака позволяет стабилизировать концентра-

цию бумажной массы в более узком диапазоне, что ведет к снижению

ее себестоимости на 1-2%.

Функциональная схема автоматизации процесса переработки обо-

ротного брака представлена на рис. П.2.2.

69 70

Соответствие трех схем. Правильность проделанной работы

хорошо прослеживается в плавном перетекании одной схемы в дру-

гую (рис. П.2.3). Все три схемы (П.2.1 а, П.2.1 б, П.2.2), подчинены

естественному ритму «слева-направо» (так как мы обычно читаем).

Функциональная схема автоматизации показана упрощенно (более

подробно см. рис. П.2.2).

Мысленно совместите вторую схему с первой – они должны сов-

пасть и тогда технология соединится с автоматизацией. На третьей

схеме они как раз и изображены совмещенными.

На схемах 1 и 3 (записываются названия аппаратов: гидроразби-

ватель и бассейн оборотного брака) материальные потоки указывают-

ся полностью, чтобы не нарушить восприятие технологии, а схема 2

(записываются названия процессов: роспуска и смешивания) в данном

примере несколько «пуста», т.к. в нее не включены информационные

переменные материальных потоков (распущенная и бумажная масса),

не несущих никакой информации. Если быть точными, то информация

эта берется (концентрация Q), но внутри соответствующих аппаратов.

Опорной точкой проверки правильности выполнения является во-

прос: сколько на схеме систем управления? Вначале смотрим на схему

2 и считаем число контуров обратной связи – их три: 1) стабилизации

концентрации бумажной массы на выходе из бассейна оборотного

брака путем изменения расхода вторичной оборотной воды; 2) стаби-

лизации концентрации распущенной массы путем изменения расхода

первичной оборотной воды; 3) стабилизации расхода мокрого брака

путем изменения проходного сечения вентиля на линии его подачи.

На третьей схеме их тоже три – это хорошо видно по пунктирным

линиям условной связи в промышленном контроллере (PLC): от ана-

логового входа AI к дискретному выходу DO, а также наличию при-

знака управления (С –control) в функциях SCADA-системы.

Следует заметить, что это только в игрушечных примерах все

идет гладко и по плану. Кажется, вот сделал первую схему на отлич-

но, можно ее забыть и переходить к следующей. На самом деле все

три схемы прикидочно рисуются на одном листе примерно в одно и

тоже время и часто случается, что исправления в третьей приводят к

изменениям в первой (например, смена чередования материальных

потоков).

Типичные ошибки.

1) нерациональное заполнение дипломного листа – он должен быть

композиционно заполнен полностью, без пустот. В данном примере

лист заполнен равномерно.

БАССЕЙН ОБОРОТНОГО БРАКА

2-1; 2-2;

4-1; 4-2

3-1;3-2;

5-1; 5-2

Обозна-

чение

Поз. Наименование

Кол.

Датчик уровня Сапфир-22 ДГ 2540

Датчик концентрации АКВАР-1402

LE, LY

2-7;3-7;

4-7; 5-7

2-5; 3-5;

4-5

2-6; 3-6;

4-6

Исполнительный механизм МЭО-16/25

Блок ручного управления БРУ-42

Пускатель ПБР-2М

QE, QY

FE, FY

HSA

3-7

2-1

сухой брак

1-1; 1-2; 6-1;

6-2; 7-1; 7-2

Датчик расхода Rosemount SMART FAMILY 8800 3

ГИДРОРАЗБИВАТЕЛЬ

910

распущенная масса

мокрый брак

оборотная вода

(вторичная)

оборотная вода (первичная)

5-7

БАК ПОСТОЯННОГО УРОВНЯ

3-2

3-6

HSA

3-5

4-2

8 9

2,8%

4 м

2,2%

1,1 м

/ч

2,1 м

/ч

3-3

3-4

7-4

PLC

ETHERNET

I (показание)

6-1

R (регистрация)

Щит

управления

C (управление)

A (сигнализация)

S (переключение)

бумажная

масса

По месту

1-1

3-1

5-1

4-1

7-7

Контроллер

OMRON C200H

2-2

1-2

1,14 м

/ч

3 м

5-2

5-6

HSA

5-5

5-3 5 -4

6-2

7-2

7-6

HSA

7-5

7-3

7-1

Обобщающий пример «Процесс переработки оборотного брака» с комментариями

Хотя некоторые умудряются сделать нечто подобное…

PLC

SCADA

/ч

2) как можно меньше изломов линий материальных потоков и их ин-

формационных переменных, а также их пересечений.

3) очередность потоков на всех трех схемах должна совпадать

4) названия потоков прижимаются к самим линиям потоков, это осо-

бенно актуально при их большом количестве (чтобы не было каши).

Приложение 4. Типовые технологические процессы автоматиза-

ции

1. Процесс перемещения сыпучих материалов по ленточному

транспортеру

Технологическая схема процесса перемещения сыпучих мате-

риалов приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема процесса перемещения сыпучих материалов:

1 – бункер; 2 – дозатор; 3 – вариатор; 4 – ленточный транспортер

Объектом управления является ленточный транспортер, пере-

мещающий сыпучий материал, а целью управления – поддержание за-

данного значения расхода материала. При этом регулировать данный

расход необходимо корректировкой работы вариатора и дозирующего

устройства.

Контролю подлежат расход перемещаемого материала и коли-

чество потребляемой приводом электроэнергии. При резком возраста-

нии тока электродвигателя в случае заклинивания ленты должны сра-

ботать устройства сигнализации и защиты, которые отключают элек-

тродвигатель.

В связи с возможностью засорения отдельных участков транс-

портной ленты посторонними включениями (комками, налипшим ма-

териалом) и опасностью выхода из строя отдельных элементов транс-

портера контролируется и сигнализируется наличие материала.

2. Процесс измельчения в барабанной мельнице

Технологическая схема процесса измельчения в барабанной

мельнице приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема процесса измельчения: 1 – ленточный питатель; 2 – барабанная

мельница

В качестве объекта управления при автоматизации процесса из-

мельчения служит барабанная мельница сухого помола. Показателем

эффективности при управлении процессом является размер кусков

измельченного материала. Цель управления – поддержание опреде-

ленного конечного гранулометрического состава материала.

На участок измельчения подается материал, разнородный по гра-

нулометрическому составу, который можно рассматривать как воз-

мущающее воздействие. Стабилизировать его невозможно, поэтому

проводится перемешивание различных партий сырья с целью усред-

нения их характеристик. Измельчение твердых материалов происхо-

дит в барабанных мельницах. Измельченный материал поступает в

спиральный гидравлический классификатор, в котором производится

сортировка зерен материала. Мелкие частицы удаляются из классифи-

катора в слив, а крупные (пески) – рециклом поступают в мельницу.

Необходимо стабилизировать плотность материала после классифика-

тора (косвенное представление о крупности частиц) путем изменения

расхода воды, поступающей в классификатор.

Контролю в данном процессе подлежит расход материала, ампли-

туда шума, создаваемого мельницей, количество потребляемой энер-

гии.

Сигнализируется состояние барабана: включен или выключен.

Устанавливаются устройства пуска и остановки двигателей.

3. Процесс нагревания в кожухотрубчатом теплообменнике

Технологическая схема процесса нагревания в кожухотрубчатом

теплообменнике приведена на рис. 3.

Теплоноситель

Продукт

Рис. 3. Схема потоков процесса при нагревании

В данный аппарат подаются нагреваемый продукт и теплоноси-

тель. Показателем эффективности процесса является температура

продукта на выходе из теплообменника, а целью управления – под-

держание этой температуры на определенном уровне путем изменения

расхода теплоносителя.

В качестве регулируемого параметра следует принять температу-

ру продукта на выходе из теплообменника, а в качестве контролируе-

мых величин – расходы продукта и теплоносителя, их конечные и на-

чальные температуры, расход пара. Сигнализации подлежат темпера-

тура продукта на выходе из теплообменника и расход продукта.

В качестве контролируемых величин следует принимать расходы

теплоносителей, их конечные и начальные температуры, давление.

Знание текущих значений этих параметров необходимо для нормаль-

ного пуска, наладки и эксплуатации процесса.

Сигнализации подлежит температура и расход продукта, посколь-

ку резкое падение расхода может послужить причиной выхода из

строя теплообменника. Устройство защиты в этом случае должно пе-

рекрывать линию подачи теплоносителя.

4. Процесс сушки в барабанной прямоточной сушилке

Технологическая схема процесса сушки в барабанной прямоточ-

ной сушилке приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема процесса сушки: 1 – топка; 2 – смесительная камера; 3 – барабан;

4 – бункер; 5 – циклон; 6 – вентилятор; 7 – автоматический дозатор;

8 – электродвигатель барабана

В качестве объекта управления служит барабанная прямоточная

сушилка, в которой сушильным агентом выступают дымовые газы.

Целью управления является поддержание на определенном уровне

влажности материала, выходящего из сушилки. Поэтому влажность

материала является основным регулируемым параметром, а регули-

рующим воздействием – расход топлива.

Соответствие между расходами топлива и воздуха обеспечива-

ется регулятором соотношения.

Температура сушильного агента на входе в сушильный барабан

должна быть стабилизирована путем изменения расхода вторичного

воздуха. Необходимо регулировать также расход влажного материала

и разрежение в сушилке изменением расхода отработанного сушиль-

ного агента.

При управлении процессом сушки следует контролировать рас-

ход топлива, первичного и вторичного воздуха, влажного и сухого ма-

териала, температуру сушильного агента на входе в сушилку и на вы-

ходе из нее, температуру в сушилке, разрежение в сушильной камере.

При значительном отклонении показателя эффективности от за-

данного значения, опасном повышении температуры сушильного

агента на входе в сушилку и остановке электродвигателя барабана

должен быть подан сигнал обслуживающему персоналу. Кроме того,

при остановке электродвигателя должна быть прекращена подача ма-

териала в сушку.

5. Процесс абсорбции в абсорбционной колонне

Технологическая схема процесса абсорбции в абсорбционной ко-

лонне представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема процесса абсорбции: 1, 3 – холодильники;

2 – абсорбционная колонна

Показателем эффективности процесса абсорбции является кон-

центрация извлекаемого компонента в обедненной смеси, а целью

управления – достижение определенного значения этой концентра-

ции. Концентрация зависит от расхода газовой смеси, начальной кон-

центрации в ней извлекаемого компонента и той же концентрации в

жидкости, отношения расходов абсорбента и газовой смеси, темпера-

туры и давления в аппарате.

Поэтому в качестве регулируемой величины следует взять кон-

центрацию извлекаемого компонента, а регулирующее воздействие

реализовать изменением расхода абсорбента. Для улучшения качества

регулирования показателя эффективности необходимо предусмотреть

систему регулирования расхода газовой смеси, температуры абсор-

бента и газовой смеси, а также давления в колонне.

В нижней части абсорбера должно находиться некоторое количе-

ство жидкости, которое поддерживается регулированием уровня пу-

тем изменения расхода насыщенного абсорбента.

В качестве параметров контроля следует выбрать расход и темпе-

ратуру исходного и насыщенного абсорбентов, исходной и обеднен-

ной газовой смеси, хладоносителя, концентрацию извлекаемого ком-

понента, уровень в нижней части колонны, температуру по высоте ко-

лонны, давление и перепад давления в ней.

6. Процесс десорбции в десорбере с кипящим слоем

Технологическая схема процесса десорбции в десорбере с кипя-

щим слоем показана на рис. 6.

Выделение из адсорбента поглощенного вещества проводится в

кипящем слое противоточных тарельчатых адсорбционных аппаратов.

Адсорбент после адсорбера направляется в верхнюю тарелку, а в

нижнюю часть после калорифера подается нагретый воздух.

Система регулирования десорбера включает автоматическую сис-

тему регулирования перепада давления в колонне и расхода воздуха.

Кроме того, для улучшения выделения поглощенного вещества стаби-

лизируется температура воздуха после калорифера путем изменения

расхода теплоносителя.

Рис. 6. Схема процесса десорбции в десорбере с кипящим слоем: 1 – калорифер;

2 – десорбционная колонна; 3 – тарелки; 4 – дозатор