Системы управления химико-технологическими процессами. 2

Содержание 

  1.  Общие сведения о процессе ------------------------------------------------------- 3
  2. Анализ процесса как объекта автоматизации ---------------------------------- 4
  3. Исходные данные -------------------------------------------------------------------- 5
  4. Выбор и обоснование средств автоматизации --------------------------------- 6
  5. Описание системы контроля и регулирования ------------------------------- 10
  6. Спецификация средств автоматизации ----------------------------------------- 12
  7. Список использованных источников ------------------------------------------- 14
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Общие сведения  о процессе.

Кристаллизация — это процесс выделения твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов, в химической промышленности процесс кристаллизации используется для получения веществ в чистом виде.

Кристаллизация  начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершённых атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы, карандашные структуры и т. д.). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.

На число центров  кристаллизации и скорость роста  значительно влияет степень переохлаждения.

Степень переохлаждения — уровень охлаждения жидкого металла ниже температуры перехода его в кристаллическую (твердую) модификацию. С.п. необходима для компенсации энергии скрытой теплоты кристаллизации. Первичной кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (и сплавах) при переходе из жидкого состояния в твердое. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Анализ процесса  как объекта автоматизации.

Показателем эффективности процесса является одинаковый  размер полученных кристаллов, при  этом датчик размера отсутствует. Поэтому  необходимо стабилизировать температуру  в аппарате (изменением расхода хладоносителя) и расход исходного раствора. Для поддержания материального баланса кристаллизатора следует стабилизировать уровень в аппарате (изменением расхода суспензии). Маточный раствор выводится из аппаратов за счет перелива, поэтому его расход не регулируется. Стабилизация всех этих параметров обеспечивает заданные размеры кристаллов.

Контролировать  следует расходы поступающего раствора, маточного раствора, суспензии и  хладоносителя, их температуру, уровень и температуру в кристаллизаторе. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Выбор и обоснование  средств автоматизации.

1. Контроль и стабилизация температур в аппарате.

Диапазон измерения  преобразователя и вторичного прибора  определяется по правилу 2/3 шкалы. Т1=180*3/2=2700C (для верхней камеры);

Т2=200*3/2=3000С (для нижней камеры)                                                                           Первичный преобразователь:

Преобразователь термоэлектрический ТХА Метран-201. Диапазон измеряемых температур -40 - 8000С. Средний срок службы 3 года.

Микропроцессорный термопреобразователь с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА. Метран-2700. Диапазон измеряемых температур -40 - 8000С. (поз. 1.1). Средний срок службы 4 года.

Для нашего процесса мы подбираем микропроцессорный  преобразователь Метран-2700, так как  он имеет ряд преимуществ над  ТХА Метран-201. Во первых это средний  срок службы прибора, у Метран-2700 он на 1 год дольше, во вторых Метран-2700 относительно новая модель (в каталогах  Метран с 1 мая 2010г. помечен как новинка) и имеет выходной унифицированный сигнал 4-20 мА. (т.к. модель Метран-2700 имеет встроенный микропроцессорный измерительный преобразователь).

 Такой же термопреобразователь  подбираем для нижней камеры.

Вторичный прибор:

Одноконтурный программируемый контроллер YS170 (поз. 1.2), предназначенная для сбора, обработки и регистрации поступающих от датчиков с выходным унифицированным токовым сигналом 4-20мА. Прибор имеет функцию арифметических и иных вычислений, а также в него встроен ПИД регулятор.

Основные особенности: 
 
1) Наличие жидкокристаллического дисплея с высокой разрешающей способностью, 26 многофункциональных панелей, возможность записи трендов технологических переменных в течение45 часов. 
2) Наличие трех типов панелей: операционных, настройки и инженерных. 
3) Возможность одновременного отображения двух контуров управления на одной панели контроллера. 
4) Наличие на передней панели прибора ламп индикации и клавиш, облегчающих инжиниринг и обслуживание. 
5) Обеспечение многообразия схем управления: одноконтурное, каскадное, селективное управление, управление по возмущению, управление двумя независимыми контурами и управление с помощью программы.                                6) Реализация функции  ПИД управления с встроенным фильтром по заданному значению и функцией нелинейного управления и ПИД управления с дополнительными функциями . 
7) Наличие функции самонастройки для каждого регулятора, позволяющей улучшить качество регулирования для нестационарных процессов. 
8) Возможность ручного управления. 
9) Наличие функции обработки входных сигналов: извлечение квадратного корня, кусочно-линейная аппроксимация, фильтрация, масштабирование сигнала задания при внешнем каскадном соединении, вычисление сигнала компенсации основного возмущения, ограничение выхода. 
10) Наличие функции сигнализации: сигнализация по верхнему и/или нижнему пределу значения переменной, по отклонению переменной от задания, по скорости изменения переменной. 
11) Связь с персональным компьютером. 
         Приборы YS170 могут быть подключены к персональному компьютеру с помощью интерфейса RS-485. 
         Кроме этого возможности YS-сети позволяют соединять контроллеры между собой для обмена данными. 
         Максимальная дистанция по сети 1000 м. Имеется возможность добавлять контроллеры к сети или менять конфигурацию контроллеров на сети. 
12) Связь контроллеров с распределенной системой управления (РСУ). 
13) Наличие двух микропроцессоров: один из которых отвечает за функцию изображения, другой за функцию вычисления. 
14) Наличие плат нормирующих преобразователей входных сигналов. 
15) Компактность (габариты: 144 х 72 х 320 мм, масса: 2,6 кг) и удобство монтажа (непосредственная установка на щите). 
16) Предусмотрена защита паролем от несанкционированного действия оператора. 

Преобразователь рода энергии:

Yokogawa VP200 с входным сигналом 4-20 мА и выходным унифицированным пневматическим сигналом. 

Исполнительный  механизм:

Регулирующий  клапан КМР для работы при давлении до 1 МПа с условным диаметром  Dy=100 мм.  
 
 

2. Контроль уровня.

Первичный преобразователь:

Радарный уровнемер Rosemount серии 5600 с диапазоном измерения от 0 до 50 м с погрешностью измерения уровня ±5мм. Время обновления показаний 0,1 секунд. С выходным унифицированным сигналом 4-20 мА. Подходит для измерения уровня при температурах окружающей среды от -400 до 70 оС, при температурах процесса -400С до 4000С. 

Волновой уровнемер  серии 3300 с диапазоном измерения от 0,1 до 20 м. Время обновления показаний 1 раз в секунду. С выходным унифицированным сигналом 4-20 мА. Подходит для измерения уровня при температурах окружающей среды от -400 до 70 оС, при температурах процесса -400С до 4000С. 

Для нашего процесса мы подбираем волновой уровнемер Rosemount серии 3300, так как он имеет ценовое преимущество над радарным уровнемером Rosemount серии 5600. Цена на уровнемер Rosemount серии 5600 начинается от 90000 руб., а на волновой уровнемер Rosemount серии 3300 от 40000 руб.

Такой же уровнемер  подбираем для нижней камеры.  

Вторичный прибор:

Одноконтурный программируемый контроллер YS170. Аналогично как и в первом случае с температурой. 

Преобразователь рода энергии:

Yokogawa VP200 с входным сигналом 4-20 мА и выходным унифицированным пневматическим сигналом.

Исполнительный  механизм:

Регулирующий  клапан КМР для работы при давлении до 1 МПа с условным диаметром  Dy=100 мм.  

3. Регулирование расхода  греющего пара.

Первичный преобразователь:                                                                                                         В качестве сужающего устройства выбираем камерную диафрагму ДКС, работающую при условном давлении до 0,6 МПа. Диаметр условного прохода трубопровода Dy=100 мм. ДКС-06-100.

Перепад давления на диафрагме измеряется датчиком Метран 100-ДД-1450(поз 3.1)с верхним пределом измерений до 1 МПа и выходным унифицированным сигналом 4-20 мА. Датчик климатического исполнения

У-2 (от -40 до +70 оС). Допускаемая погрешность прибора γ=0,25% 

Вихревой счётчик  газа Метран-331. Предел измерений расхода  при рабочих условиях 6…5000 м3/ч. Температурный предел от -40…1500С(Для негорчих материалов). С выходным унифицированным сигналом 4-20 мА. 

Для данного  процесса подбираем диафрагму ДКС, и датчик измеряющий перепад давления на диафрагме Метран 100-ДД-1450, так как он имеет ценовое преимущество над вихревым счётчиком газа Метран-331. Стоимость первой схемы преобразования давления обходится примерно в 15 тыс. руб., а цена на вихревой счётчик начинается от 83000 руб.  
 

Вторичный прибор:

Yokogawa YS-170 с входным унифицированным сигналом 4-20 мА. Контроллер осуществляет ПИД закон регулирования. Аналогично предыдущим схемам.  

Преобразователь рода энергии:

Yokogawa VP200 с входным сигналом 4-20 мА и выходным унифицированным пневматическим сигналом. 

Исполнительный  механизм:

Регулирующий  клапан КМР для работы при давлении до 1 МПа с условным диаметром  Dy=100 мм.  

4. Контроль и регулирование  давления пара  в верхней камере  кристаллизатора.

Первичный преобразователь:                                                                                                  

Многопараметрический  датчик Rosemount 3095MV, с температурой  измеряемой среды -184...816 °С (при удаленном монтаже датчика)  Избыточное давление в трубопроводе до 25 МПа. Основная относительная погрешность измерения расхода до ±1%. С выходным унифицированным токовым сигналом 4-20 мА.

Датчик избыточного давления Метран-100 ДИ(1150) с верхним пределом измерений 0,25 МПа унифицированный выходной сигнал 4-20 мА и приведённая погрешность γ=0,5%.

Для нашего процесса подбираем датчик избыточного давления Метран-100 ДИ-1150, так как этот датчик имеет преимущества над Rosemount 3095MV. Во первых это приведённая погрешность, она у Метран-100 ДИ меньше чем у Rosemount 3095MV, во вторых цена прибора, датчик избыточного давления Метран-100 ДИ-1150 (от 10000руб.) существенно дешевле датчика Rosemount 3095MV (70000руб.)

Вторичный прибор:

Одноконтурный регулятор YS-170, ПИД закона регулирования.

Преобразователь рода энергии:                                                                                                Yokogawa VP200 с входным сигналом 4-20 мА и выходным унифицированным пневматическим сигналом.

Исполнительный  механизм:                                                                                        Регулирующий клапан KMP с условным диаметром Dy=100мм. 

5. Описание системы  контроля и регулирования.

1. Контроль и стабилизация  температур в аппарате.

Температура в  верней и нижней камере измеряется преобразователем Метран-2700 (поз. 1.1) с  выходным унифицированным токовым  сигналом 4-20 мА. Выходной сигнал пропорциональный измеренным температурам с двух преобразователей поступает на Одноконтурный программируемый контроллер YS170. (поз. 1.2), где температура отображается и регистрируется в памяти компьютера. Одноконтурный программируемый контроллер YS170 определяет разность температур и направляет сигнал разности температур, в верхней и нижней камере, в контроллер с ПИД законом регулирования, где сигнал обрабатывается и преобразуется в аналоговый и через аналоговый выход поступает на позиционер Yokogawa VP200 (поз. 1.3) где унифицированный токовый сигнал преобразуется в пневматический сигнал. Далее пневматический сигнал с позиционера поступает на исполнительный механизм регулирующий клапан KMP (поз. 1.4). 

2. Контроль уровня.

Величина уровня в верхней и нижней камере  определяется подбираем волновой уровнемер Rosemount серии 3300 (поз. 2.1), после которого унифицированный выходной сигнал 4-20 мА с двух датчиков поступает на Одноконтурный программируемый контроллер YS170 (поз. 2.2), где значение уровня отображается и регистрируется в памяти компьютера. Одноконтурный программируемый контроллер YS170 определяет разность уровней и направляет сигнал их разности, в верхней и нижней камере, в контроллер с ПИД законом регулирования, где сигнал обрабатывается и преобразуется в аналоговый и через аналоговый выход поступает на позиционер Yokogawa VP200 (поз. 2.3) где унифицированный токовый сигнал преобразуется в пневматический сигнал. Далее пневматический сигнал с позиционера поступает на исполнительный механизм регулирующий клапан KMP (поз. 2.4).

3. Регулирование расхода  греющего пара.

Расход греющего пара измеряется первичным преобразователем камерной диафрагмой ДКС 06-100. Перепад давления на диафрагме измеряется датчиком  Метран 100-ДД-1450 (поз. 3.1)и преобразуется в унифицированный выходной сигнал 4-20мА. Выходной унифицированный токовый сигнал 4-20 мА. пропорциональный измеренному перепаду давления на диафрагме поступает на Одноконтурный программируемый контроллер YS170 (поз 3.2). После контроллера унифицированный токовый сигнал преобразуется в унифицированный пневматический в приборе Yokogawa VP200 (поз. 3.3). Сигнал с преобразователя поступает на исполнительный механизм регулирующий клапан КМР (поз. 3.4).

4. Контроль и регулирование  давления пара  в верхней камере  кристаллизатора.

Давление пара в верхней камере кристаллизатора  измеряется при помощи датчика давления Метран-100 ДИ 1150 (поз. 4.1). Далее выходной унифицированный сигнал, пропорциональный измеренному давлению, с датчика  поступает на Одноконтурный программируемый контроллер YS170 (поз 4.2). После контроллера унифицированный токовый сигнал преобразуется в унифицированный пневматический в приборе Yokogawa VP200 (поз. 4.3). Сигнал с преобразователя поступает на исполнительный механизм регулирующий клапан КМР (поз. 4.4).

6. Спецификация средств  автоматизации:

Позиция Измеряемый  параметр Наименование  и техническая характеристика Марка Кол-во
1.1 Температура верхней  и нижней камеры Микропроцессорный термопреобразователь.

Диапазон измеряемых температур -40 - 8000С.

 Метран 2700 2
2.1 Измерение уровней  верней и нижней камера кристаллизатора Волновой уровнемер  с диапазоном измерения от 0,1 до 20 м Rosemount серии 3300 2
3.1 Перепад давления на диафрагме Датчик перепада давления, с верхним пределом измерений  до 1 МПа Метран 100-ДД-1450 1
4.1 Давление в  верхней камере кристаллизатора Датчик избыточного давления, с верхним пределом измерений 0,25 МПа Метран-100 ДИ(1150) 1
1.3

2.3

3.3

4.3

 - Преобразователь рода энергии с входным сигналом 4-20 мА и выходным унифицированным  пневматическим сигналом Yokogawa VP200 4
1.2

2.2 3.2

4.2

 - Контроллер  с входным унифицированным сигналом 4-20 мА. ПИД закон регулирования Yokogawa YS-170 4
      Yokogawa YS-170 4
1.4

2.4

3.5

4.5

 - Регулирующий  клапан КМР  для работы при давлении до 1 МПа с условным диаметром  Dy=100 мм. КМР 4
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  

  

  Список  использованных источников 

  1. Тематически каталог Метран. Датчики давления, 269с.
  2. Тематически каталог Метран. Функциональная аппаратура. Вторичные приборы, 128с.
  3. Тематически каталог Метран. Датчики температуры, 154 с.
  4. Тематически каталог Метран. Измерение уровня, 133 с.
  5. Оборудование и системы управления Yokogawa. Каталог 2002 г.
  6. Samson – краткий каталог, 2004
  7. Автоматизация технологических процессов: методические указания к курсовому и дипломному проектированию / Составитель Л.Г.Дадаян.-Уфа: Изд.УНИ,1985.-22 с. (электронный вариант, 2005г.)
  8. Автоматизация технологических процессов. Обозначения (условные) приборов и средств автоматизации в схемах. ГОСТ 21.404-85.
  9. Правила выполнения рабочей документации автоматизации технологических процессов. ГОСТ 21.408-93.
  10. www.r-aca.ruanalyzers600T-LP.pdf.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

Рис.2 Схема автоматизации  процесса кристаллизации в одноступенчатом  кристаллизаторе выпарного типа.