Автоматизация теплообменника смешения

Содержание

 

Введение	3
1 Исходные данные на проектирование	4
1.1 Схема установки и описание её работы	4
1.2 Перечень контролируемых  и регулируемых параметров	5
1.3 Материальный и тепловой  баланс установки	5
1.4 Расчет диаметров  трубопроводов	6
1.5 Техническая характеристика оборудования	8
2 Разработка функциональной схемы автоматизации	9
3 Выбор и обоснование  приборов и средств автоматизации	10
4 Выбор модулей ввода/вывода  контроллера	15
Заключение	17
Список используемых источников	18

 

 
Введение

 

Автоматизация процесса означает полный перевод технологического 
оборудования на автоматический режим работы, внедрению в производство устройств, действующих частично или полностью без участия человека. Автоматизация – высшая форма механизации. Она характеризуется освобождением человека частично или полностью от участия в технологическом процессе, также и от оперативного управления механизмами, от постоянного участи его в процессе.

Автоматика увеличивает  производительность труда, повышает эффективность технологических процессов, улучшает качество продукции, повышает точность, сокращает численность обслуживающего персонала.

Внедрение специальных  автоматических устройств способствует безаварийной работе оборудования, исключает  случаи травматизма, предупреждает загрязнение атмосферного воздуха и водоемов промышленными отходами.

Целью курсовой работы является построение современных систем автоматизации технологических процессов, реализованных на базе промышленных контроллеров и ЭВМ.

В ходе курсовой работы решаются следующие задачи:

1. Изучение разработки функциональных схем автоматизации технологических процессов на базе серийновыпускаемых приборов и промышленных контроллеров.
2. Подбор оптимальных приборов автоматики для контроля и регулирования необходимых параметров процесса.
3. Изучить технологический процесс, разработать схему автоматизации теплообменника смешения на основе комплексных средств АСУТП. 

 

1 Исходные данные на проектирование

 

1.1 Схема установки и описание её работы

 

Исходные данные на проектирование включают в себя описание принципа работы технологической установки и перечень контролируемых параметров.

 

 

Рисунок 1 – Схема автоматизации  теплообменника смешения

 

В теплообменник смешения 1 (резервуар с мешалкой) подаются холодная воды из сети и водяной пар давлением 180 кПа. При конденсации водяного пара и смешения конденсата с холодной водой происходит ее нагрев до требуемой температуры. Горячая вода из теплообменника непрерывно перекачивается центробежным насосом Н1 в сборник 2.

 

 

1.2 Перечень контролируемых и регулируемых параметров

 

Автоматическое регулирование:

- температура горячей воды (расходом пара);

- расход холодной воды  по уровню в аппарате 1.

Измерение и регистрация на ЭВМ:

- расход горячей воды;

- температура горячей воды.

Измерение:

- расход холодной воды;

- температура горячей воды;

- уровень в аппарате 1.

Сигнализация:

- уровень в сборнике 2;

- давление пара.

Автоматическая блокировка:

- отключение мешалки при отключении насоса Н1;

- отключение мешалки  при отключении пара.

Управление:

- включение и отключение двигателя насоса Н1;

- включение и отключение двигателя мешалки.

 

1.3 Материальный  и тепловой баланс установки

 

1.4 Расчет диаметров трубопроводов

 

Расчет диаметров трубопроводов  можно определить по расходу продукта

      (1)

где W - скорость, м/с;

F - площадь поперечного сечения трубопровода, м ;

d - внутренний диаметр трубопровода, м.

Из формулы (1) получим

      (2)

Оптимальная скорость прохождения  жидкости соответствует минимуму эксплуатационных расходов.Поэтому при расчетах трубопроводов скорость движения ориентированно может быть принята в следующих интервалах, приведенных в таблице 1.

Таблица 1– Скорости движения жидкости

Движение жидкости при подаче насосом, м/с	1 – 2,5
Движении самотеком, м/с	0,1 – 0,5
Для газов, м/с	5 – 20
Для паров, м/с	15 – 40

 

1. Определим расход компонента 1 (вода) и диаметр трубопровода для подачи

Из технической характеристики массовый расход равен G = 2 т/ч=2000кг/ч.

Объемный расход вычисляем по формуле

      (3)

где – плотность воды из сети, кг/м³

м³/ч,

м³/с.

Зная объемный расход продукта из формулы (1) определим диаметр трубопровода

м = 19 мм,

где W = 2 м/с, т.к. вода из сети подается насосом.

Принимаем d₁=20 мм.

 

2. Определим расход и диаметр трубопровода для подачи пара

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

    (4)

где  G – расход холодного теплоносителя(воды), кг/с;

c_ви с_конд. – теплоемкость холодного теплоносителя и конденсата греющего пара, Дж/кг·К;

t_в^киt_в^н – конечная и начальная температура воды ºС;

D – расход греющего пара, кг/с;

r – удельная теплота парообразования, Дж /кг;

Q_конд. – температура конденсата выходящего из теплообменника ºС.

Считая, что конденсат  выходит из аппарата при температуре  конденсации t_конд., то Q_конд= t_н, и тогда уравнение примет вид

    (5)

Выражаем расход греющего пара, кг/c

 

,     (6)

где G - расход воды, кг/с;

С - теплоемкость воды (4,19·10³), Дж/кг·К;

t_к,t_н – начальная и конечная температура воды;

D – расход греющего пара, кг/с;

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

Из технологической характеристики оборудования и таблицы «Физические свойства воды и водяного пара» находим

G_п=2 т/ч =0,56 кг/с,

c_в= 4,19·10³ Дж/кг·К,

t_к=75 ºС,

t_н=15 ºС.

Подставляя значения в формулу (6) находим расход греющего пара в теплообменник 1

Находим объемный расход пара по формуле (3)

 м³/с,

ρ_пара=1,003кг/м³ - плотность пара, определяем по таблицам в зависимости от Р_п и t_п.

Зная объемный расход пара определим диаметр трубопровода для подачи пара по формуле (2)

мм,

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

Принимаем d₂=50 мм.

 

Таким образом, диаметр  трубопровода для подачи воды составил 20мм, диаметр трубопровода для подачи пара – 50мм.

 

1.5 Техническая  характеристика оборудования

 

Производительность теплообменника - 2 т/ч.

Температура горячей воды - 70°С.

Измерение уровня в теплообменнике – 2 м.

Измерение давления воды из сети - 180 кПа.

Измерение давления пара - 180 кПа.

Измерение уровня в сборнике 2 – 2 м.

 

 

 

2 Разработка  функциональной схемы автоматизации

 

Схема построена  на базе контроллера DirectLOGIC DL206, 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, их регистрации и сигнализации предельных значений. Также ЭВМ формирует законы управления исполнительными механизмами и электродвигателем насоса Н1 и мешалки.

Автоматическое регулирование температуры горячей воды осуществляется путем изменения расхода пара регулирующим клапаном Samson 240, установленным на трубопроводе подачи пара. Этот регулирующий клапан оснащен электродвигательным исполнительным механизмом МЭО-16/30-0,25 поз. 1д с датчиком угла поворота Samson 4748 поз. GE-2. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO D2-08TR через магнитный пускатель ПМ-222 поз. 1в. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ, его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода DI D2-08NA-1. Исходя из особенностей управления электродвигательным исполнительным механизмом в схеме задействовано 2 канала дискретного вывода. Для управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция ПКЕ-222 поз. 1г.

Автоматическое регулирование расхода холодной воды по уровню в аппарате 1 осуществляется путем изменения расхода воды регулирующим клапаном Samson 240, установленным на трубопроводе подачи воды из сети. Этот регулирующий клапан оснащен электродвигательным исполнительным механизмом МЭО-16/30-0,25 поз. 3е с датчиком угла поворота Samson 4748 поз. GE-3. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO D2-08TR через магнитный пускатель ПМ-222 поз. 3г. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ, его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода DI D2-08NA-1. Исходя из особенностей управления электродвигательным исполнительным механизмом в схеме задействовано 2 канала дискретного вывода. Для управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция ПКЕ-222 поз. 3д.

Для измерения расхода горячей воды используется применяется расходометр переменного перепада давления Метран-350. Сигнал от чувствительного элемента расходомера поз.FE-5а подается на преобразователь давления поз. FT-5б. На выходе расходомера формируется унифицированный токовый сигнал (4-20 мА), который подается на вход модуля аналогового ввода AI F2-08AD-2 контроллера DirectLOGIC DL206. Далее сигнал обрабатывается и передается для регистрации и отображения расхода горячей воды в реальном времени на ЭВМ.

Для измерения температуры горячей воды используется термопреобразователь сопротивления ТСП-1293 поз. ТЕ-1а. Данный преобразователь формируют выходной унифицированный токовый сигнал (4-20) мА, который поступает на вход модуля аналогового ввода AI F2-04RTD и на вторичный прибор Сосна-005 поз. TI-1б. Далее сигнал обрабатывается и передается для регистрации и отображения температуры горячей воды в реальном времени на ЭВМ.

Для измерения расхода холодной воды используется применяется расходометр переменного перепада давления Метран-350. Сигнал от чувствительного элемента расходомера поз. FT-6а подается на преобразователь давления поз. FT-6б. На выходе расходомера формируется унифицированный токовый сигнал (4-20 мА), который подается на вход модуля аналогового ввода AI F2-08AD-2 контроллера DirectLOGIC DL206 и на вторичный прибор Сосна-005 поз. FT-6в. Далее сигнал обрабатывается и передается для отображения расхода холодной воды в реальном времени на ЭВМ.

Для измерения уровня в теплообменнике смешения 1 используется буйковый уровнемер. Данный уровнемер состоит чувствительного элемента, погружаемого непосредственно в измеряемую среду поз. LE-3а, и преобразователя поз. LT-3б, установленного рядом с оборудованием. На выходе преобразователя формируется унифицированный токовый сигнал (4 – 20 мА) который подается на вторичный прибор Сосна-005 поз. LI-3в и на вход модуля аналогового ввода AI F2-08AD-2 контроллера DirectLOGIC DL206. Далее сигнал обрабатывается и передается для отображения уровня в теплообменнике смешения 1 в реальном времени на ЭВМ.

Для измерения  уровня в сборнике 2 используется буйковый уровнемер. Данный уровнемер состоит чувствительного элемента, погружаемого непосредственно в измеряемую среду поз. LE-7а, и преобразователя поз. LT-7б, установленного рядом с оборудованием. На выходе преобразователя формируется унифицированный токовый сигнал (4 – 20 мА) который подается  на вход модуля аналогового ввода AI F2-08AD-2 контроллера DirectLOGIC. Далее сигнал обрабатывается и передается для отображения уровня в в сборнике 2 в реальном времени на ЭВМ.

 Для сигнализации предельно допустимого уровня в сборнике 2 на щите установлена сигнальная лампа HL1.

Для измерения  давления пара используется электроконтактный манометр ЭКМ-1У поз. PIS-8а с замыкающими и размыкающими контактами сигнального устройства, имеющими установку на срабатывание при верхнем и нижнем заданных значениях давления. Управляющие импульсы поступают на модуль дискретного ввода DI D2-08NA-1 контроллера DirectLOGIC. Для сигнализации предельно допустимого давления пара на щите установлена сигнальная лампа HL2.

Управление электродвигателями мешалки М1и насоса M2 осуществляется сигналом с модуля дискретного вывода DO D2-08TR через магнитный пускатель ПМ-222 поз. NS-9а и NS-10а соответственно. Включение или отключение двигателей может осуществляться в ручном режиме с помощью кнопочной станции ПКЕ-222 поз. HS-9б и HS-10б, установленной по месту, либо в автоматическом режиме. В этом случае ЭВМ формирует сигнал отключения двигателя мешалки или насоса.

В данном технологическом процессе предусмотрена автоматическая блокировка работы электродвигателя мешалки при отключении пара или при отключении насоса Н1. При отключении пара или насоса Н1 контроллер DirectLOGIC вырабатывает управляющие импульсы, которые поступают на модуль дискретного вывода DO D2-08TR, откуда в свою очередь поступают на магнитный пускатель электродвигателя мешалки М1поз. NS-9а, и происходит отключение мешалки.

Технологические трубопроводы обозначены на схеме в соответствии с требованиями ГОСТ 14202-69.

 

3 Выбор и обоснование приборов и средств автоматизации

При выборе приборов и технических средств автоматизации  необходимо учитывать характер технологического процесса, условия пожаро- и взрывоопасное, токсичность и агрессивность окружающей среды; параметры и физико-химические свойства измеряемой среды; дальность передачи сигналов информации от места установки измеряемых преобразователей до пунктов контроля и управления. Требования к качеству работы системы автоматического контроля включают в себя основные метрологические данные: точность измерения; порог чувствительности; быстродействие системы.

В данной курсовой работе ограничимся предварительным  выбором и обоснованием приборов и измерительных преобразователей, исходя из основных метрологических характеристик (диапазон измерения, класс точности), условий технологического процесса (свойства измеряемой среды, агрессивность среды, физико-химические свойства и т.д.), условия согласования входных и выходных сигналов в системе управления (измерительный преобразователь - контроллер, контроллер - исполнительный механизм). Основой для выбора измерительного преобразователя (датчика) служат характеристика контролируемой среды, диапазон изменения контролируемого параметра и точность измерения. В случае непосредственного контакта чувствительного элемента с контролируемой средой возможно нежелательное влияние пищевых продуктов на конструктивные узлы датчиков - прежде всего коррозионного и эрозионного характера. Поэтому в пищевой промышленности для контроля параметров продукта широко применяются конструкции из нержавеющей стали и нанесение на них антикоррозионных покрытий. При выборе чувствительных элементов необходимо также учитывать возможное влияние материалов, из которых они изготовлены, на качество пищевых продуктов.

Выбор диапазона  измерений преобразователей и измерительных  приборов должен учитывать возможные  значения контролируемого параметра  в условиях нормальной работы, а также при проведении некоторых вспомогательных операций: мойки, стерилизации и т. п. Принято считать, что номинальное значение измеряемого параметра должно составлять примерно 2/3 от шкалы прибора. Однако следует учитывать характер изменения контролируемой величины. Для большинства технологических измерений максимальное значение контролируемой величины может лежать в пределах последней четверти диапазона шкалы. При резких изменениях нагрузки этот максимум должен находиться в пределах 0,5 - 0,7 от диапазона шкалы.

Выбор класса точности преобразователей и измерительных приборов производится исходя из допустимого предельного значения погрешности измерения. Обычно класс точности измерительных приборов в пищевой промышленности составляет 0,25-1,5. В случае, когда точность измерения не регламентирована, можно руководствоваться следующими рекомендациями по выбору класса точности средств измерений:

- класс 0,5 - приборы для контроля и регистрации ответственных параметров, характеризующих качество процесса;

- класс 1 -1,5 - приборы среднего класса точности;

- класс 2,5 - приборы для измерения параметров, непосредственно не влияющих на качество продукта и работу аппарата;

- класс 4,0 - грубые приборы для оценки измерений неответственных параметров.

При выборе термопребразователей и приборов устройств, входящих в  измерительные комплекты для контроля температуры, необходимо учитывать следующие особенности. При температурах до 200°С рекомендуется применение термопреобразователей сопротивления. Точность термопреобразователей сопротивления определяется в соответствии с классами допуска (А, В, С). Погрешность комплекта приборов для измерения температуры определяется погрешностью термопреобразователя, погрешностью соединительных проводов и погрешностью вторичного измерительного прибора. Вторичный прибор либо модуль ввода контроллера подбираются с учетом типа термопреобразователя и его НСХ.

Для измерения  температуры выбран термопреобразователь сопротивления с унифицированным  выходным сигналом ТСП-1293. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на изменении электрического сопротивления полупроводников или проводников с изменением температуры. Зависимость сопротивления от температуры определяется номинальной статической характеристикой (НСХ). Зная эту зависимость, можно по значению сопротивления определить температуру среды, в которую помещен термопреобразователь сопротивления.

Термопреобразователи  сопротивления с унифицированным  выходным сигналом предназначены для  измерения температуры нейтральных  и агрессивных сред, по отношению  к которым материал защитной арматуры является коррозионностойким. Чувствительный элемент первичного и встроенный в головку датчика измерительный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный входной сигнал, что дает возможность построения АСУ ТП без применения нормирующих преобразователей. Термопреобразователи характеризуются линейной зависимостью сигнала от температуры.

Для измерения  расхода выбран расходомер переменного  перепада давлений Метран-350.

Расходомеры модели Метран-350 предназначены для  работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отрослях 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 сужающихся 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 диапазона; высокая надежность, отсутствие движущихся частей. Измеряемые среды: газ, пар,жидкость. Пределы основной допускаемой относительной погрешности измерений массового ( объемного) расхода до ±1%.

В состав расходомера  входят: первичный измерительный преобразователь (сенсор); датчик дифференциального давления; многопараметрический датчик давления: термопреобразователь сопротивления ТСП (Pt100). Датчики дифференциального давления 3051S, 3052C 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…20мА и/или цифровой код по протоколу HART, а также в показания расхода на встроенном жидкокристаллическом индикаторе.

Типовой ряд регулирующих клапанов Samson 240 включают в себя 
пневматические и электрические проходные, трехходовые и угловые клапаны.Они применяются для выполнения задач регулирования и управлениявтехнологических и промышленных установках. Блочный принцип конструкцииобеспечивает простоту оснащения дополнительными устройствами и удобствообслуживания. Регулирующие клапаны состоят из клапана и сервопривода. Онимогут быть снащены, по выбору, пневматическими, электрическими илиэлектрогидравлическимн приводами, а также ручными приводами. Дляуправления и сигнализации хода к клапану могут быть пристроены периферийныеустройства, такие как позиционеры, конечные выключатели и магнитныеклапаны. Для изготовления корпусов клапанов используются серый чугун, стальное литье, коррозионностойкая или холодостойкаялитая сталь, коррозионностойкая кованая сталь и специальныематериалы.

Выбираем тип 3347 клапан для пищевой промышленности с электрическим приводомМЭО-16/30-0,25.

Техническая характеристика:

– условный диаметр:D_у 15... 120 мм;

– условная пропускная способность: К_vs = 35 м³/ч;

– условное давление: 16 бар;

– диапазон температур: -10...+150 °С.

Выбираем условный диаметр  клапанов для подачи холодной воды и горячей воды D_у=20мм и для подачи пара в аппарат 1 D_у = 50мм в соответствии с расчетами трубопроводов.

В качестве управляющей  аппаратуры были выбраны посты управления кнопочные ПК-222 и магнитные пускатели марки ПМ-222.

Для сигнализации граничных  значений выбираем светосигнальную арматуру AD-22DS с красной линзой.

 

4 Выбор модулей ввода/вывода

 

Микроконтроллеры DirectLOGIC применяются для решения задач  управления объектами в различных  отраслях промышленности. Процессоры различной вычислительной мощности позволяют гибко строить систему  с наиболее выгодным соотношением цена - функциональные возможности. Разнообразная номенклатура модулей ввода-вывода дает возможность использовать в системе практически любые типы датчиков и исполнительных механизмов. Один процессор может обрабатывать до 2048 точек ввода-вывода. Использование модулей удаленного ввода-вывода позволяет увеличить информационную емкость контроллера еще на 1536 сигналов.

Микроконтроллеры DirectLOGIC DL206 - это модульные миниконтроллеры  со сменными процессорными модулями. Возможности: память до 30,4 кбайт слов; до 16 контуров ГШД-регулирования с автонастройкой; память программ до 15,8 кбайт слов; количество точек ввода-вывода до 8192; более 35 модулей ввода-вывода и коммуникационных модулей; модули Ethernet; релейные выходы до 10 А; аналоговые входные и выходные модули 12 и 16 бит; температурные входы.

Характеристики  процессорного модуля D2-250 микроконтроллера DirectLOGIC DL206: процессор, общая память - 14,8 кбайт слов (память программ - 7680 слов, V-память - 7168 слов), 2 порта RS232C, нижний порт также поддерживает удаленный ввод-вывод мастер, RS422, DirectNet мастер/ведомый, MODBUS RTU мастер/ведомый, 172 команды, 4 контура ПИД-регулирования, математика с плавающей точкой.

Выбор модулей  ввода/вывода. В соответствии с функциональной схемой автоматизации необходимо 6 каналов аналогового ввода рассчитанных на унифицированный токовый сигнал 4…20 мА. Это 2 канала для ввода сигнала от преобразователей расхода позиции FТ-5б, FТ-6б, 2 канала для ввода сигнала от датчиков положения GЕ-2, GЕ-4, 2 канала для ввода сигнала от преобразователей уровня позиции LТ-10б, LТ-6б. Для реализации этих каналов используем модуль аналогового ввода F2-08AD-2. Данный модуль имеет 8 каналов, тип входного сигнала 4…20 мА. Используем 1 модуль.

Для ввода  сигнала от термопреобразователей сопротивления позиция ТЕ-1а необходим 1 канал аналогового ввода от термопреобразователей сопротивления. Используем модуль аналогового ввода F2-04RTD. Данный модуль имеет 4 канала для подключения термопреобразователей сопротивления Pt100, Pt100, Cu10, Cu25. Используем 1 модуль.

Для реализации сигнализации крайних положений исполнительных механизмов необходимо 4 канала дискретного ввода. Также необходимо 2 канала дискретного ввода для подключения магнитных пускателей позиции NS-9а, NS-10а и 1 канал для подключения контактов электроконтактного манометра позиция PIS-8а. Используем модуль дискретного ввода D2-08NA-1. Данный модуль имеет 8 дискретных входов.  Используем 1 модуль.

Для реализации управления магнитными пускателями позиции NS-1в, NS-3г, NS-9а, NS-10а и включения/отключения сигнальной арматуры HL1, HL2 необходимо 8 каналов дискретного вывода D2-08TR. Данный модуль имеет 8 дискретных выходов. Используем 1 модуль. Привязку сигналов контроллера к датчикам и исполнительным механизмам (ИМ) представим в виде таблицы 2.

 

Таблица 2 – Входы и выходы контроллера

№	Обозначение СА	Позиция СА по спецификации	Обозначение каналов  ввода/вывода	Тип модуля ввода/вывода	Количество модулей
1	GE	2	AI 1	F2-08AD-2	1
2	LT	3б	AI 2
3	GE	4	AI 3
4	FT	5б	AI 4
5	FT	6б	AI 5
6	LT	7б	AI 6
7	TE	1а	AI 1	F2-04RTD	1
8	-	1д	DI 1,2	D2-08NA-1	1
9	-	3е	DI 3,4
10	PIS	8а	DI 5
11	NS	9а	DI 6
12	NS	10в	DI 7
13	NS	1в	DO 1,2	D2-08TR	1
14	NS	3г	DO 3,4
15	-	HL 1	DO 5
16	-	HL 2	DO 6
17	NS	9а	DO 7
18	NS	10а	DO 8