Автоматизация экстрактора противоточного типа

Введение

Автоматизация производства — это процесс в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Введение автоматизации на производстве позволяет значительно повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции, сократить долю рабочих, занятых в различных сферах производства.

С другой стороны автоматизация – это научно-техническая дисциплина, разрабатывающая методы, средства, и приемы такой деятельности, которая направленна на частичное или полное исключение человека из трудового процесса путем передачи его функций в специально созданную машину (автомат). Автомат – это устройство, которое выполняет определенную последовательность операций в режиме автоматического управления. 

Автоматизация технологических процессов в промышленности осуществляется путем внедрения систем контроля регулирования и управления на базе комплекса технических средств общепромышленного и отраслевого назначения. В настоящее время в промышленности накоплен уже значительный опыт автоматизации технологических процессов.

Цель курсовой работы - ознакомление с принципами построения современных систем автоматизации технологических процессов, реализованных на базе промышленных контроллеров и ЭВМ. В настоящее время такие системы широко применяются на мясоперерабатывающих предприятиях. В ходе выполнения курсовой работы необходимо решить следующие задачи:

- ознакомиться с методикой разработки  функциональных схем автоматизации  технологических процессов на  базе серийно выпускаемых приборов  и промышленных контроллеров;

- ознакомиться с характеристиками  современных приборов и средств  автоматизации;

- изучить основные подходы к  обоснованному выбору приборов  и технических средств автоматизации;

- изучить действующие стандарты  и другие нормативные документы  регламентирующие правила оформления  технической документации по  автоматизации технологических  процессов.

 

 

 

 

 

 

1 Исходные данные  на проектирование 

 

Темой данной курсовой работы является “Автоматизация экстрактора противоточного типа” схема которой представлена на рисунке 1:

 

1 – теплообменник, 2 –  горизонтальный противоточный шнековый  экстрактор, 3 – промежуточный сборник

Рисунок 1 – Схема экстрактора противоточного типа

 

Извлечение целевого компонента из твердой фазы производится в горизонтальном противоточном шнековом экстракторе 2 обогреваемым паром. Растворитель (вода) перед подачей в экстрактор подогревается в теплообменнике 1 паром (Р=200 кПа). Экстракт сливается в промежуточный сборнике 3, откуда откачивается на дальнейшую переработку центробежным насосом Н1.

Перечень измеряемых и регулируемых переменных

Автоматическое регулирование:

Концентрация экстракта температурой воды

Температура экстракта расходом пара в экстрактор 2

Измерение и регистрация на ЭВМ:

Температура экстракта

Расход экстракта

Измерение:

Концентрация экстракта

Температура экстракта

Расход пара в аппарат 2

Давление пара перед аппаратом 2

Сигнализация:

Уровень в сборнике 3

Давление воды перед теплообменником 1

Давление пара перед теплообменником 1

Автоматическая блокировка:

Отключение пара в аппарате 1 при снижении давления воды

Отключение воды при повышении уровня в сборнике 3

Отключение электродвигателя М1 при снижении давления воды

Управление:

Включение и отключение двигателя насоса Н1

Включение и отключение двигателя экстрактора М1

Значения контролируемых параметров:

1. Концентрация экстракта     70 %
2. Расход экстракта       1 м3/ч
3. Давление пара перед экстрактором 2   2·105 Па
4. Уровень в сборнике 3      1 м
5. Давление пара перед теплообменником 1   2·105 Па
6. Температура воды      700С

Расчет диаметров технологических трубопроводов

Необходимо рассчитать внутренние диаметры трубопроводов: D1 для подачи воды в теплообменник 1 и далее в экстрактор 2; D2 для расхода пара, подаваемого в теплообменник 1; D3 для слива экстракта в промежуточный сборник 3; D4 для откачивания экстракта центробежным насосом Н1 из сборника 3 на дальнейшую переработку.

Диаметры технологических трубопроводов можно определить по расходу продукта:

D= ,                                                        (1)

где   Q – расход продукта, м3/с;

        W – скорость продукта (жидкости), м/с;

        D – внутренний диаметр трубопровода, м.

Оптимальная скорость прохождения жидкости соответствует минимуму эксплуатационных расходов. Поэтому при расчете трубопроводов скорость движения ориентировочно может быть принята в следующих интервалах:

Движение жидкости при подаче насосом, м/с                                     1-2,5

Движение самотеком, м/с                                                                    0,1-0,5

Для газов, м/с                                                                                          5-20

Для паров, м/с                                                                                       15-40

Произведем расчет внутреннего диаметра трубопровода D1 для подачи воды в теплообменник 1 и далее в экстрактор 2.

Объемный расход воды:

Q= ,                                                      (2)

где G – расход воды, кг/с;

      G=1 т/ч=0,27 кг/с;

      ρв – плотность воды, кг/м3;

      ρв=1000 кг/ м³.

Q= =0,27·10-3 м³/с

Принимаем объемный расход воды Q=0,27·10-3 м3/с, скорость движения воды самотеком по трубопроводу W=0,5 м/с.

D1= =0,03 м

Принимаем внутренний диаметр трубопровода для подачи воды в теплообменник 1 и далее в экстрактор 2 D1=30 мм.

Произведем расчет внутреннего диаметра трубопровода D2 для расхода пара, подаваемого в теплообменник 1.

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

Gп=1,08·Gв·C·(tк-tн)/r,                                            (3)

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

Gв – расход продукта (жидкости) через теплообменник, кг/с;

Gв=0,27 кг/с;

С – теплоемкость продукта (жидкости), Дж/кг·К;

С=4,19·103 Дж/кг·К;

r – удельная теплота парообразования, Дж/кг;

r=2208·103 Дж/кг;

tк,tн – начальная и конечная температуры нагреваемого продукта, 0С,

tк = 700С, tн = 200С;

Gп =0,026 кг/с.

Объемный расход пара:

Q=Gп/ρ,                                                        (4)

где ρ – плотность пара, кг/м3;

      ρ=1,107 кг/м3;

Q=0,026/1,107=0,023 м3/с.

Принимаем скорость движения пара по трубопроводу W=20 м/с:

D2= =0,038 м.

Принимаем внутренний диаметр трубопровода для расхода пара, подаваемого в теплообменник 1 D2=38 мм.

Произведем расчет внутреннего диаметра трубопровода D3 для слива экстракта в промежуточный сборник 3.

Q= ,                                                              (5)

где G– производительность экстрактора, кг/с;

      G=0,27 кг/с;

      ρэ - плотность экстракта, кг/м3;

      ρэ=1100 кг/м³;

Q= =2,45·10-4 м³/с.

Принимаем скорость движения экстракта самотеком по трубопроводу W=0,5 м/с:

D3= =0,025 м.

Принимаем внутренний диаметр трубопровода для слива экстракта в промежуточный сборник 3 D3=25 мм.

Произведем расчет внутреннего диаметра трубопровода D4 для откачивания экстракта центробежным насосом Н1 из сборника 3 на дальнейшую переработку.

Принимаем скорость движения экстракта по трубопроводу при подаче насосом W=1,5 м/с:

D4= =0,014 м

Принимаем внутренний диаметр трубопровода для откачивания экстракта центробежным насосом Н1 из сборника 3 на дальнейшую переработку D4=14 мм.

Исходя из расчета выбираем стандартные, выпускаемые промышленностью,  трубы стальные бесшовные горячедеформированные с  внутренним диаметром 30 мм, 38 мм, 25 мм и 20 мм.

 

2 Разработка функциональной  схемы автоматизации

 

Функциональная схема системы автоматизации технологических процессов является основным техническим документом, определяющим структуру и характер систем автоматизации технологических процессов, а также оснащение их приборами и средствами автоматизации (в том числе средствами вычислительной техники).

На функциональной схеме показывается упрощённая схема цепи агрегатов подлежащих автоматизации, приборы, средства автоматизации и управления, а также линии связи между ними.

Функциональная схема автоматизации экстрактора противоточного типа построена на базе контроллера ADAM 8000, в комплект которого входит набор модулей аналогового и дискретного ввода-вывода. Контроллер связан с ЭВМ через сеть Ethernet. Управляющая ЭВМ используется для вывода на экран значений технологических переменных, их регистрации и сигнализации их предельных значений и формирует законы управления исполнительными механизмами, электродвигателем насоса H1 и экстрактора М1.

Для автоматического регулирования концентрацииэкстракта расходом параиспользуется кондуктометрический концентратомер КВЧ 5М, состоящий из чувствительного элемента QЕ-1а, установленного на трубопроводе и преобразователя поз. QT-1б, с унифицированным выходным сигналом (4-20 мА). К этому преобразователю подключен вторичный измерительный прибор КСУ2-080-01поз. QI-1в. Сигнал подается на вход модуля аналогового ввода ADAM-8231-1BD60. Регулирование концентрации экстракта осуществляется путем изменения расхода пара регулирующим органом 25ч14нж с электроприводом поз. 1е и датчиком угла поворота поз. GE-2, установленным на трубопроводе подачи пара.  Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода ADAM-8222-1BH10 через магнитный пускатель ПМЛ-4500 поз. NS-1г. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода ADAM-8221-1BН10. Для управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция ПКЕ-222 поз. HS-1д.

Для автоматического регулирования температуры экстакта расходом пара в экстрактор 2 используется термопреобразователь с унифицированным выходным сигналом ТСМУ Метран-274 поз. ТЕ-3а. К этому преобразователю подключен вторичный измерительный прибор КСУ2-080-01 поз. ТI-3б. Сигнал подается на вход модуля аналогового ввода ADAM-8231-1BD60. Регулирование температуры экстракта осуществляется путем изменения расхода пара регулирующим органом 25ч14нж с электроприводом поз. 3д и датчиком угла поворота поз. GE-4, установленным на трубопроводе подачи пара.  Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода ADAM-8222-1BH10 через магнитный пускатель ПМЛ-4500 поз. NS-3в. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода ADAM-8221-1BН10. Для управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция ПКЕ-222 поз. HS-3г.

Для измерения и регистрации на ЭВМ расхода экстракта используется измерительный преобразователь (сенсор)Annubar® 485 (Annubar® Diamond II+)FТ-5а, сигнал с которого передается на расходомер переменного перепада давления Метран-350-М поз. FТ-5б. К этому преобразователю подключен вторичный показывающий прибор РП 160поз. FI-5в.К этому расходомеру подключен также модуль аналогового ввода ADAM-8231-1BD60.

Для измерения расхода пара в аппарат 2используется измерительный преобразователь (сенсор) Annubar® 485 (Annubar® Diamond II+)FТ-6а, сигнал с которого передается на расходомер переменного перепада давления Метран-350-М поз. FТ-6б. К этому преобразователю подключен вторичный показывающий прибор РП 160 поз. FI-6в.

Для измерения давления пара перед аппаратом 2 используется преобразователь избыточного перепада давления САПФИР 22МТ-2430 поз. РТ-7а.  К этому преобразователю подключен вторичный показывающий прибор РП 160поз. РI-7б.

Для измерения уровня в сборнике 3используется радарный уровнемертипа Rosemount 5400. Уровнемер состоит из зонда-радара, погружаемого непосредственно в среду поз. LE-7а и преобразователя поз.LТ-7б, установленного рядом с оборудованием. Сигнал с уровнемера поступает на модуль аналогового ввода ADAM-8231-1BD60. Для сигнализации верхнего и нижнего допустимого уровня в сборнике 3 предусмотрены сигнальные лампы HL1 и HL2, установленные на щите. Эти лампы подключены к модулю дискретного вывода DоADAM-8222-1BН10.

Для измерения давления воды перед теплообменником 1 используется преобразователь избыточного перепада давления САПФИР 22МТ-2430 поз. РТ-9а. К этому преобразователю подключен также модуль аналогового ввода ADAM-8231-1BD60. Для сигнализации резкого изменения давления воды предусмотрена сигнальная лампа HL3, установленная на щите. Эта лампа подключена к модулю дискретного вывода DоADAM-8222-1BН10. При снижении давления воды происходит автоматическое отключение пара в аппарат 1.Также при снижении давления воды происходит автоматическая блокировка двигателя экстрактора. Управление электродвигателем экстрактораМ1осуществляется сигналом с модуля дискретного вывода ADAM-8222-1BH10 через магнитный пускатель ПМЛ-4100 поз. NS-9б. Включение/отключение двигателя может осуществляться в ручном режиме с помощью кнопочной станции ПКЕ-222 поз. HS-9в. Для реализации сигнализации состояния двигателя (включен/отключен) на ЭВМ слаботочный контакт магнитного пускателя подключается к входу модуля дискретного ввода ADAM-8221-1BН10.

Для измерения давления пара перед теплообменником 1 используется преобразователь избыточного перепада давления САПФИР 22МТ-2430 поз. РТ-10а. К этому преобразователю подключен также модуль аналогового ввода ADAM-8231-1BD60. Для сигнализации резкого изменения давления пара предусмотрена сигнальная лампа HL4, установленная на щите. Эта лампа подключена к модулю дискретного вывода DоADAM-8222-1BН10.

Управление электродвигателем насоса Н1осуществляется сигналом с модуля дискретного вывода ADAM-8222-1BH10 через магнитный пускатель ПМЛ-4100 поз. NS-11a. Включение/отключение двигателя может осуществляться в ручном режиме с помощью кнопочной станции ПКЕ-222 поз. HS-11б.

 

3 Выбор и обоснование  приборов и средств автоматизации

 

Большое разнообразие технологических процессов пищевых производств предопределяет и большую номенклатуру измерительных устройств и средств автоматизации на всех её уровнях.

Процессы пищевых производств представляют собой сложные физико-химические и механические превращения исходного сырья в готовую продукцию. Для регулирования и контроля каждого технологического процесса должны быть выбраны и использованы именно те технические устройства, которые в данном конкретном случае могут дать моментальный технико-экономический эффект, быть надёжными в эксплуатации и в тоже время простыми и доступными в обслуживании, работающие в данной системе автоматизации, должны отвечать определённым требованиям.

Измерение параметров осуществляется с помощью самых разнообразных технологических средств, обладающих нормализованными метрологическими средствами. Средства измерения играют важную роль при построении современных автоматических систем регулирования отдельных технологических параметров и процессов (АСР) и особенно автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Использование измерительных устройств-приборов, измерительных преобразователей и других технических средств способствует техническому прогрессу, росту производительности труда.

 

3.1 Термопреобразователь с унифицированным  выходным сигналом ТСМУ Метран-274

 

Таблица 1 - Термопреобразователь с унифицированным выходным сигналом

 

Тип и исполнение	Номинальная статическая характеристика (НСХ)	Выходной сигнал, мА	Диапазон преобразуемых температур, 0С	Предел основной приведенной погрешности ±Y, %
ТСМУ Метран-274	100M	0...5 4...20	-50...100, 0...100, -50...150, 0...150, -50...50, 0...50, 0...180	0,25; 0,5

 

 

Предназначен для измерения температуры нейтральных и агрессивных сред, по отношению к которым материал защитной арматуры является коррозионностойким. Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика измерительный преобразователь преобразует измеряемую температуру в унифицированный выходной сигнал, что дает возможность построения АСУТП без применения нормирующих преобразователей. Термопреобразователь характеризуется линейной зависимостью выходного сигнала от температуры.

Термопреобразователи ТХАУ Метран-271-Ех, ТСМУ Метран-274-Ех, ТСПУ Метран-276-Ех могут применяться во взрывоопасных зонах, в которых возможно образование взрывоопасных смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом категорий IIA, IIB и IIC групп Т1-Т6 по ГОСТ 12.1.011. Основные технические характеристики термопреобразователя с унифицированным выходным сигналом приведены в таблице 1.

 

3.2 Концентратомер кондуктометрический (кондуктометр) КВЧ 5М 

Предназначен для измерения электропроводности водных растворов и пульп, концентрации кислот, солей и щелочей в водных растворах. Также концентратомер КВЧ 5М широко применяется для контроля концентрации и температуры моющих растворов (HNO3, NaOH и др.), используемых для удаления остатков мясной продукции из технологических труб и емкостей.

Концентратомер КВЧ 5М имеет следующие характеристики: безэлектродный чувствительный элемент штыревого или тороидального типа; возможность подключения двух датчиков к одному блоку (один прибор заменяет два); кислотощелочестойкое защитное покрытие датчика; встроенная термокомпенсация; аналоговые (0-5 мА, 4-20 мА или 0-20 мА) выходные сигналы; возможность установки стандартного цифрового выхода RS 485; до 8 порогов сигнализации по температуре, концентрации или проводимости; установка порогов сигнализации и выбор режимов индикации производится пользователем с помощью клавиатуры на измерительном преобразователе (блоке); двухрядный жидкокристаллический индикатор с подсветкой; возможность применения в различных средах, в т. ч. для контроля вязких сред, растворов с абразивными включениями и плёнкообразующих сред; возможность размещения измерительного преобразователя непосредственно в трубопроводе или емкости с анализируемой средой (глубина погружения чувствительного элемента - до 2500 мм); возможность работы в составе АСУТП.

 

3.3 Расходомер переменного перепада давления Метран -350-М

Расходомеры модели Метран-350 (совместное производство с компанией EmersonProcessManagement) предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности, а также в системах коммерческого учета жидкостей, пара и газов. Основные преимущества: простая установка в трубопровод через одно отверстие; установка в трубопровод без остановки процесса (специальная конструкция); минимальная вероятность утечек измеряемой среды; более низкие потери давления и меньшие длины прямолинейных участков по сравнению с расходомерами на базе сужающих устройств; существенное снижение стоимости монтажа и обслуживания благодаря интегральной конструкции; легкость взаимодействия с существующими контрольными системами или вычислителями расхода посредством интеллектуального протокола коммуникаций HART и Modbus; простота перенастройки динамического диапазона; высокая надежность, отсутствие движущихся частей.

Измеряемые среды: газ, пар, жидкость. Параметры измеряемой среды: температура -40...400°С - интегральный монтаж, -40...677°С - удаленный монтаж; избыточное давление в трубопроводе 25 МПа; диаметр трубопровода, Dу, мм: 50...1820 (с сенсором Annubar 485); 12,5...50 (с сенсором AnnubarDiamondII+).

Пределы основной допускаемой относительной погрешности измерений массового (объемного) расхода до ±1%.

В состав расходомера входят: первичный измерительный преобразователь (сенсор) Annubar® DiamondII+ или Annubar® 485; датчик дифференциального давления (3051S для объемных расходомеров Метран-350-SFA, 3051С для объемных расходомеров Метран-350-Р), многопараметрический датчик давления (3095MV для массовых расходомеров Метран-350-MFA, Метран-350-М; 3095FB для объемных расходомеров Метран-350-Р); термопреобразователь сопротивления ТСП 100 (Pt 100) серий 65, 68, 75, 78, 183 и 185 (для массовых расходомеров Метран-350-MFA, Метран-350-М). Датчики дифференциального давления 3051S, 3051 С обеспечивают измерение создаваемого на сенсоре перепада давлений, пропорционального объемному расходу при реальных значениях давления и температуры измеряемой среды; преобразование значения объемного расхода в выходной сигнал 4...20 мА и (или) цифровой код по протоколу HART, a также в показания расхода на встроенном жидкокристаллическом индикаторе. Многопараметрические датчики давления 3095MV, 3095FB обеспечивают: измерение статического давления (избыточного или абсолютного); измерение возникающего на сенсоре перепада давлений; измерение температуры измеряемой среды при помощи термопреобразователя сопротивления, размещенного в сенсоре, или отдельного термопреобразователя сопротивления типа ТСП (Pt100); вычисление массового расхода и суммарной массы при реальных значениях давлений и температуры измеряемой среды; вычисление объемного расхода и суммарного объема, приведенного к нормальным условиям; преобразование значения массового расхода в выходной сигнал 4.20 мА и (или) цифровой код по цифровому протоколу HART (3095MV) или Modbus (3095FB), а также в показания расхода, количества, перепада давлений, статического давления, температуры на дополнительном жидко кристаллическом индикаторе.

Принцип действия расходомера Метран-350 основан на измерении расхода и количества среды (жидкости, газа, пара) методом переменного перепада давления с использованием осредняющих напорных трубок (далее сенсор) моделей AnnubarDiamond 11 + (4 поколение) и Annubar 485 (5 поколение), на которых возникает перепад давлений, пропорциональный расходу. Сенсор устанавливается перпендикулярно направлению потока, пересекая его по всему сечению. По назначению расходомеры делятся на модели: Метран-350-MFA, Метран-350-М - для измерения массового расхода, накопленной массы жидкостей, пара и газов, а также объемного расхода и накопленного объема газов, приведенного к стандартным условиям по ГОСТ 2939. Дополнительно расходомеры этих моделей измеряют суммарный накопленный объем и массу, абсолютное (избыточное) давление, перепад давлений и температуру рабочей среды; Метран-350-SFA, Метран-350-Р - для измерения объемного расхода жидкостей пара и газов в условиях эксплуатации. Дополнительно расходомеры этих моделей измеряют перепад давлений на сенсоре.

 

Таблица 2 – Пределы измерений расходомера Метран-350-М

 

Модель расходомера	Измеряемая среда	Массовый расход, кг/ч		Объемный расход, м3 /ч
		Fmin	Fmax	Qmin	Qmax
Метран-350-М	Жидкость (вода)	80,0	49137000,0	0,08	49137,0
	Газ (воздух)	-	-	4,2	20853600,0
	Пар	5,22	11525000,0	-	-

 

Пределы измерений массового (Fmin, Fmax) и объемного (Qmin, Qmax) расходов для воды при температуре 20°С и давлении 100 кПа; газа (воздуха) при температуре 20°С и давлении 100 кПа; пара при температуре 100°С и давлении 100 кПа приведены в таблице 1.

 

3.4 Радарный  уровнемер серии 5400 типа Rosemount

Представляет собой новейшую разработку  интеллектуального прибора, предназначенного для бесконтактного измерения уровня жидкостей в резервуарах любого типа. В этой серии все передовые технологии, позволяющие производить наилучшие измерения даже в самых сложных условиях процесса, таких как пена, турбулентность и наличие веществ с низкой диэлектрической постоянной.

Уровень жидкости измеряется короткими импульсами радара, которые передаются от антенны, находящейся в верхней части резервуара, по направлению к этой жидкости.

Когда импульс радара достигает среды с иной диэлектрической постоянной, часть энергии отражается обратно к датчику. Разница во времени между переданным и отражённым импульсом пропорциональна расстоянию, от которого рассчитывается уровень. Используемая технология обработки сигнала обеспечивает высокоэффективное подавление паразитных отражений, а также помех, связанных с волнением поверхности измеряемого продукта и загрязнениями датчика уровнемера.

Технические характеристики и параметры:

– принцип измерения – импульсный 6ГГц;

– излучаемая мощность – <1 мВ;

– диапазон измерений – до 30м;

– погрешность – ±10мм;

– максимальная скорость измерения уровня – мм/сек;

– измеряемые среды – щёлочи, кислоты, водные растворы, алкогольные и слабоалкогольные напитки, пульпы, суспензии, молочные продукты;