17

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОУ ВПО "УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

КАФЕДРА АВТОМАТИЗАЦИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Методические указания к курсовому и дипломному проектированию для студентов специальностей:

240403 ТП -Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов,

240401 ТС-Химическая технология органических веществ,

240100 ХБ -Химическая технология и биотехнология

Уфа 2005

Печатается по решению Методического совета

Уфимского Государственного Нефтяного Университета

В методических указаниях изложен порядок работы над проектом систем автоматизации технологического процесса при курсовом и дипломном проектировании, приведены содержание пояснительной записки и правила выполнения функциональных схем автоматизации.

Составитель Дадаян Л.Г., доцент, к.т.н.

Рецензенты: Динкель В.Г., доцент, к.т.н.

Кабанова Л.К.,ст. преподаватель

©Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет

2005

1.Задача и основные этапы проектирования систем автоматизации

Автоматизация технологических процессов, являясь одним из главных направлений научно-технического прогресса, создает основу для повышения производительности труда во всех отраслях народного хозяйства.

Современные технологические процессы (ТП) нефтеперерабатывающей, нефтехимической и микробиологической промышленности характеризуются сложностью отдельных элементов и их взаимосвязей, высокими скоростями протекания химических реакций, многомерностью, т.е. большим числом контролируемых и регулируемых параметров и показателей эффективности, разнообразия технологических операций и технологического оборудования, многотоннажностью, а также взрыво- и пожароопасностью. В таких условиях управления ТП становится важным лишь при широком использовании методов, средств и систем автоматизации.

Выполнение курсовой работы по автоматизации ТП (если она предусмотрена учебным планом) и раздела «Автоматика и автоматизация» дипломного проекта (в дальнейшем оба вида работ будут именоваться проектом систем автоматизации) основано на использовании знаний, приобретенных студентами в процессе изучения дисциплин:

• Автоматизация производственных процессов;

• Системы управления химико технологическими процессами

• Управление техническими системами.

Объектом автоматизации могут быть технологические аппараты, агрегаты, машины, участки, установки (в дальнейшем – технологические процессы). Объем работы определяется в каждом конкретном случае руководителем курсовой работы или консультантом по автоматизации при дипломном проектировании (по согласованию с руководителем проекта).

Задача выполнения проекта системы автоматизации состоит в разработке технического задания на проектирование, а также в выработке технических решений по схемному и аппаратурному оформлению системы автоматизации конкретного ТП.

Проектирование системы автоматизации ТП складывается из ряда этапов, содержание которых изложено в следующих разделах.

2.Сбор исходных материалов и данных

Во время производственной или преддипломной практики, предшествующей проектированию, студентами должны быть собраны следующие необходимые для выполнения проекта системы автоматизации материалы и данные:

1. описание технологической схемы автоматизируемого ТП, характеристики сырья, реагентов, продуктов и технологического оборудования, а также технологический регламент ТП;

2. выполненная на бумаге или миллиметровке функциональная схема автоматизации, принятая на данном ТП;

3. перечень всех средств автоматизации ТП (первичных и промежуточных преобразователей, вторичных приборов, регуляторов, исполнительных устройств, вспомогательных средств) с указанием диапазонов измерения параметров и условий эксплуатации (данные следует представлять в виде спецификации, форма которой приведена в приложении 2 );

4. перечень физико-химических параметров продуктов и полупродуктов ТП, анализируемых лабораторным путем, с указанием точек отбора проб, периодичности и методов анализа;

5. недостатки существующей системы автоматизации, установленные путём личного наблюдения или опроса операторов-технологов и работников службы контроля и автоматизации (недостатки могут касаться аппаратурного и схемного оформления системы автоматизации, точек измерения параметров и внесения регулирующих воздействий, ручных, неавтоматических операций сбора, переработки и использования информации, а также лабораторных методов анализа, которые могли бы быть заменены автоматическими методами, и других сторон функционирования системы автоматизации).

3.3. Выбор контролируемых параметров.

Число контролируемых параметров должно быть небольшим, чтобы не создавать информационной перегрузки операторов-технологов, и, вместе с тем, таким, чтобы обеспечить полное представление о ТП. В качестве контролируемых параметров следует выбирать:

1. все регулируемые параметры;

2. параметры, характеризующие качество получаемых продуктов, и другие показатели эффективности ТП;

3. параметры, используемые при расчете технико-экономических показателей (количество потребляемой электроэнергии, сырья, реагентов, материалов, тепла, холода и т.д.);

4. наиболее сильно контролируемые возмущения, которые не поддаются регулированию.

3.4. Выбор сигнализируемых параметров

Для выбора сигнализируемых параметров необходимо провести тщательный анализ ТП в отношении его пожаро- и взрывоопасности, токсичности и агрессивности перерабатываемых и получаемых веществ, а также условий безаварийной и бесперебойной работы отдельных агрегатов и аппаратов ТП. Сигнализировать необходимо о выходе за допустимые пределы (нижние и/или верхние) параметры, изменение которых может привести к нарушениям технологического режима, аварийным ситуациям, несчастным случаям, браку выпускаемой продукции, останову агрегатов и аппаратов ТП, прекращению подачи материалов и энергии. Например, необходимо обеспечить сигнализацию о выходе за верхний и нижний допустимые пределы значения уровня в кубе ректификационной колонны, из которой жидкость откачивается центробежным насосом, так как при превышении уровня и затоплении нижних тарелок нарушается заданная степень разделения, а при опорожнении куба колонны произойдет сброс насоса.

3.5. Выбор параметров защиты и блокировки

В тех случаях, когда требуется срочное вмешательство в ход процесса и реакция оператора-технолога недостаточна для его обеспечения после получения аварийного сигнала, необходимо предусмотреть системы автоматической защиты и блокировки. Параметрами защиты могут быть концентрация взрывоопасных веществ в воздухе производственных помещений, расход хладоагента в экзотермической реактор, давление и уровень в аппаратах и т.п. Системы защиты должны также обеспечить отключение основных насосов, перекрытие топливных и энергетических коммуникаций в аварийных ситуациях, включение резервных насосов при выходе из строя основных. В задачу автоматической блокировки входит предотвращение неправильного пуска или останова агрегатов процесса и исключение возможности выполнения следующих технологических операций, если не выполнена или выполнена неправильно предыдущая операция.

4.Разработка системы автоматизации технологического процесса

4.1. Выбор системы контроля и регулирования

Контроль параметров ТП может осуществляться с помощью местных и дистанционных систем. Основные технологические параметры, информация о которых необходима оператору-технологу для полного представления о процессе, должны быть введены в центральный пункт управления установкой (в операторную) или на местный щит управления участком процесса. Если параметр является и контролируемым, и регулируемым, обе функции объединяются в одной системе. Местные системы контроля применяются в тех случаях, когда информация о соответствующем параметре необходима для местного управлением аппаратом или агрегатом ТП (при пуске, останове или в режиме нормальной эксплуатации). Сигналы о предаварийных и аварийных состояниях ТП должны быть выведены на центральный пульт управления.

При выборе автоматических систем регулирования (АСР) следует отдавать предпочтение простым одноконтурным АСР. В отдельных случаях, когда одноконтурные АСР не обеспечивают необходимого качества регулирования, используются более сложные АСР.

Каскадные АСР целесообразно применять при регулировании параметров в объектах с большим запаздыванием (как правило, в тепловых, масообменных и химических объектах).При этом выбирается вспомогательный, промежуточный (между точкой приложения регулирующего воздействия и точкой измерения основного параметра) параметра Y₁, который реагирует на регулирующее воздействие значительно быстрее, чем основной параметр Y.(рис.4.1.).

3.Анализ технологического процесса как объекта управления

3.1. Выбор регулируемых параметров

Для обоснованного выбора регулируемых параметров необходимо установить:

1. назначение и показатели эффективности всего ТП в целом и отдельных технологических операций (механических, гидромеханических, теплообменных, массообменных, химических), выполняемых с помощью соответствующей технологической аппаратуры;

2. основные возмущающие воздействия (контролируемые и неконтролируемые), оказывающие влияние на вход ТП и его показатели эффективности;

3. взаимосвязь данного ТП с другими ТП производства (цеха, завода, комбината) и отдельных технологических операций ТП между собой.

В качестве регулируемых параметров прежде всего необходимо выбрать наиболее важные технологические показатели эффективности ТП и его отдельных операций, таких как состав целевого продукта или содержания отдельного комитета в смеси на выходе массообменного или химического аппарата, температура нагрева или охлаждения в теплообменнике, производительность насоса , давление в сепараторе, коэффициент соотношения расходов и т.д.

Также необходимо обеспечить регулирование (стабилизацию или изменение по заданной программе) тех режимных параметров, которые создают оптимальные условия протекания процессов, например, температуры или профиля температур в химическом реакторе, соотношение расходов газовой смеси и абсорбента в процессе абсорбции и т.д.

Особое внимание следует уделить стабилизации (если это возможно) основных возмущений, оказывающих существенное влияние на процесс. Так, например, расход, состав и температура питания являются наиболее сильными возмущениями процесса ректификации, и их желательно застабилизировать, однако обеспечить регулирование расхода и состава питания не всегда удается.

Наконец, следует поддерживать постоянными те температуры, от которых зависит безопасность ведения прцесса и его операций, например, постоянство уровня жидкости в емкости или кубе колонны позволяет обеспечить бепперебойную работу центробежного насоса.

3.2. Выбор регулирующих воздействий

Регулирующие воздействия на процесс с целью регулирования параметров вносятся в подавляющем большинстве случаев с помощью исполнительных устройств, установленных на трубопроводах и изменяющих расход тех или иных материальных потоков. Возможны и другие способы внесения воздействий, такие как изменение числа оборотов насосов, изменение угла наклона лопастей вентиляторов и т.д. При выборе точек внесения регулирующих воздействий следует руководствоваться двумя правилами:

1. степень влияния воздействия на регулируемый параметр должна быть наибольшей;

2. запаздывание, т.е. промежуток времени между моментом внесения воздействия и началом изменения параметра, должно быть минимальным.

Например, регулирование давления в верхней част ректификационной колонны может быть осуществлено изменением расхода хладоагента в дефлегматор, однако этот способ обладает большим запаздыванием и малой степенью влияния на давление в колонне. Лучшие результаты по обоим факторам дает изменение сброса газов из буферной емкости.

При выборе регулирующих воздействий следует учитывать следующее обстоятельство: ТП – это сложная система со взаимосвязанными параметрами, вследствие чего одно регулирующее воздействие способно привести к изменению нескольких регулируемых параметров. Поэтому регулирующее воздействие должно в большей степени влиять на один основной параметр и в меньшей степени - на другие.

6.2. Описание схемы технологического процесса

Этот раздел является обязательным при курсовом проектирование. В дипломном проекте, если описание автоматизируемого ТП приведено в других разделах, его можно не приводить.

Описание ТП должно быть подробным, однако без излишней детализации. В нем не приводятся никакие сведения о системе автоматизации. В конце раздела необходимо привести данные технологического регламента.

6.3. Анализ технологического процесса как объекта управления

В данном разделе проводится обоснование выбора регулируемых параметров и регулирующих воздействий, параметров контроля и сигнализации, а также, при необходимости, параметров защиты и блокировки с технологической точки зрения по каждому технологическому аппарату с учетом взаимосвязей между ними. При этом следует руководствоваться основными принципами, изложенными в разделе 3.Обоснование должно быть кратким и конкретным.

6.4. Выбор технических средств автоматизации.

Данный раздел должен содержать обоснование выбора конкретных технических средств по следующим группам приборов и устройств:

1. первичные преобразователи (термоэлектрические термометры, термопреобразователи сопротивления, сужающие устройства, приемные устройства уровнемеров, анализаторов и т.д.);

2. вспомогательные преобразователи (преобразователи рода сигнала, нормирующие преобразователи и т.д.);

3. промежуточные преобразователи (манометры, дифманометры, уровнемеры и другие приборы, обеспечивающие дистанционную передачу данных0;

4. вторичные приборы;

5. автоматические регуляторы;

6. исполнительные устройства;

7. сигнализаторы;

8. вспомогательные устройства (разделительные и конденсационные сосуды, панели дистанционного управления, вычислительные устройства и т.д.).

Особое внимание следует уделить выбору местных приборов и устройств (средств групп 1,3,6 и некоторых устройств группы 8), так как их типы, марки и характеристики, пределы измерения, устойчивость к воздействию высоких температур и давлений и агрессивных сред должны определяться конкретными условиями эксплуатации.

Кроме того, следует обосновать выбор законов регулирования, исходя из особенностей объектов регулирования и требований к АСР.

6.5. Описание систем контроля, регулирования, сигнализации, защиты и блокировки.

Каждая из предлагаемых систем контроля, регулирования, сигнализации, защиты и блокировки должны быть подробно описана с указанием типов приборов и устройств, входящих в систему, их позиций и взаимосвязей между ними. Если в проекте имеются однотипные системы, то нужно описать одну из них и сделать ссылки на номера позиций системы, которые имеют аналогичное схемное и аппаратурное оформление. В тексте пояснительной записки следует выполнить схему описываемой системы с фрагментом технологической схемы. Ниже приведено два примера выполнения описания схемы (рис. 6.1;6.2).

Давление верха колонны воспринимается сильфонным манометром МС-П2 (поз.30-1), преобразующим давление в пропорциональный пневматический сигнал дистанционный передачи. Пневмосигнал поступает в качестве переменной на пневматический пропорционально-интегральный регулятор ПР3,31 (поз.30-3) и вторичный прибор ПВ10.1Э (поз. 30-2). Командный сигнал регулятора через станцию управления вторичного прибора направляется на исполнительное устройство 25ч30нжМ (НО) (поз.30-4), установленное на лини отдувки газов из флегмовой емкости.

Аналогичное схемное и аппаратурное оформление имеют системы регулирования давления в линии топливного газа в печь П-2 (поз.32, исполнительное устройство - на линии топливного газа в печь), в десорбере К-5 (поз.33, исполнительное устройство- на выходе циркуляционного газа из десорбера).

Разность давления верха и низа абсорбера К-2 преобразуется сильфонным дифманометром ДС-П1 (поз.35-1) в пропорциональный пневмосигнал, поступающий на вторичный прибор ПВ4,2Э (поз.35-2) и электроконтактный манометр ЭКМ-1У (поз. 35-3), обеспечивающий включение сигнальной лампы (поз. 35-4) при достижении разностью давлений верхнего допустимого значения.