Материал: Разработка автоматизированной системы управления выпарного аппарата электрощёлоков

Рисунок 4 - Типовой вариант архитектуры АСУ с одним ЭВМ и одним устройством ввода и вывода

Датчик (первичные измерительные преобразователи, сенсоры) - это элемент АСУ, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации (унифицированный сигнал), а иногда и для воздействия им на технические процессы. То есть датчик - это устройство, преобразующее входное воздействие измеряемой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Измерительный преобразователь - прибор АСУ нормализует, обеспечивает линейность, компенсирует погрешности и усиливает сигнал датчика(ов), согласуя его(их) с параметрами аналоговых входов модулей ввода. Измерительные преобразователи обычно совмещают с модулями аналогового ввода.

Модули ввода - это устройства АСУ для ввода аналоговых сигналов в дискретные устройства (ЭВМ), содержат АЦП. Могут быть общего применения (универсальные, понимающие несколько видов унифицированных сигналов от разных датчиков) или специализированные (могут либо понимать один вид унифицированных сигналов и содержат спроектированные под этот сигнал фильтры и усилители, либо работают с одним видом датчиков и содержат встроенные во внутреннюю память модуля таблицы поправок для компенсации измерений).

Кроме модулей аналогового ввода широко распространены модули дискретного ввода, которые позволяют вводить сигналы, имеющие два уровня (например, сигналы от концевых выключателей, датчиков открывания двери, пожарных датчиков, охранных датчиков движения и т. п.). Уровни входных сигналов модулей дискретного ввода могут изменяться в диапазоне, как правило, 0...24 В или 0...220 В. Модули с входом 220 В используются, например, для регистрации наличия напряжения на клеммах электродвигателя или нагревательного прибора.

Отдельное место занимают устройства счетного ввода, которые имеют дискретный вход и позволяют считать количество или частоту следования импульсов. Их используют, например, для измерения скорости вращения вала электродвигателя или подсчета продукции на конвейере.

Компьютер обычно является «мозгом» автоматизированной системы. Он принимает сигналы датчиков, исполняет записанную в него программу и выдает необходимую информацию в устройство вывода. Иногда устройства ввода-вывода выполняют в виде плат, которые вставляют непосредственно в компьютер, в разъемы шины PCI или ISA.

Так же компьютер может использоваться оператором (диспетчером). Оператор осуществляет наблюдение м контроль за распределенной системой машин, механизмов и агрегатов, при помощи системы SCADA (supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных). В этом случае компьютер становится АРМ (автоматизированным рабочим местом)

В автоматизированных системах вместо компьютера или одновременно с ним часто используют программируемый логический контроллер (ПЛК). Типовыми отличиями ПЛК от компьютера является специальное конструктивное исполнение (для монтажа в стойку, панель, на стену или в технологическое оборудование), отсутствие механического жесткого диска, дисплея и клавиатуры. Контроллеры также имеют малые размеры, расширенный температурный диапазон, повышенную стойкость к вибрации и электромагнитным излучениям, низкое энергопотребление, защищены от воздействий пыли и воды, содержат сторожевой таймер и платы аналогового и дискретного ввода-вывода, имеют увеличенное количество коммуникационных портов. В контролерах, в отличие от компьютеров, как правило, используется операционная система реального времени (например, Windows CE, QNX). [8]

Устройства вывода (модули вывода) позволяют выводить дискретные, частотные или аналоговые сигналы.

3.2 Выбор оптимальных способов измерения необходимых технологических параметров

.2.1 Средства измерения температуры

Все типы приборов для измерения температуры (термометры) принято разбивать на два класса в зависимости от методики измерений. Традиционный и наиболее массовый вид термометров - контактные термометры, отличительной особенностью которых является необходимость теплового контакта между датчиком термометра и средой, температура которой измеряется. Вторую группу составляют бесконтактные термометры, для измерения которыми нет необходимости в тепловом контакте среды и прибора, а достаточно измерений собственного теплового или оптического излучения.

Контактные приборы и методы по принципу действия разделяются на:

а) термометры расширения, принцип действия которых основан на зависимости объемного расширения жидкости и линейных размеров твердых тел от температуры;

б) манометрические термометры, принцип действия которых основан на изменении давления рабочего (термометрического) вещества в зависимости от температуры;

в) термоэлектрические термометры (термопары), принцип действия которых основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры;

г) термометры сопротивления, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента (проводника или полупроводника) от температуры.

Бесконтактные методы, в основе которых лежит регистрация собственного теплового или оптического излучения, можно представить следующими направлениями:

а) пирометрия - измерение температуры самосветящихся объектов: пламени, плазмы, астрофизических объектов;

б) радиометрия - измерение температуры по собственному тепловому излучению тел. Для невысоких и комнатных температур это излучение находится в инфракрасном диапазоне длин волн;

в) тепловидение - радиометрическое измерение температуры с пространственным разрешением и с преобразованием температурного поля в телевизионное изображение, иногда с цветовым контрастом. Позволяет измерять градиенты температуры, температуру среды в замкнутых объемах, например, температуру жидкостей в резервуарах и трубах[9].

Для данной системы управления требуются приборы, измеряющие температуру, для выполнения следующих задач: 1) Регулирование температуры барометрической воды в пределах (35-60) ±3°С за счет изменения подачи оборотной воды в конденсатор (контур 3); 2) Контроль температуры щёлоков в выпарном котле в диапазоне от 180 до 851°С с погрешностью ±5% (контур 2). Для данных критериев подходит термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом.

Для решения первой задачи подходит термопреобразователь на основе медного терморезистора 50М (Cu50), так как он наиболее пригодна для измерения невысоких температур в интервале -50 - +200^оС в небольшом диапазоне и с малой погрешностью.

Для решения второй задачи наиболее подходит термопреобразователь на основе металлических термопар типа ТПП10(S) или ТПП13(R) (термопара платинородий-платиновая, цифра обозначает процентное содержание родия). Эти датчики наиболее пригодны для измерения температур в диапазоне -50 - +1300^оС в широком диапазоне и с приемлемой погрешностью. Неметаллические термопары непригодны из-за малой верхней границы или большой погрешностью на диапазоне +200 - +600^оС из-за гистерезиса температуры. Платиновый терморезистор так же может подойти для решения данной задачи, но под заданный диапазон температур терморезистор изготавливается на спецзаказ и имеет слишком высокую цену и большую погрешность на нижних границах диапазона.

Заранее обговорим, что элементы АСУ будут первоочерёдно выбираться российских производителей или произведённых на территории РФ по экономическим критериям и только за неимением таковых обратимся к зарубежным производителям.

По всем вышеперечисленным параметрам для решения первой задачи выбран аналоговый преобразователь температуры с унифицированным выходным сигналом ТСМУ Метран-274[10]. Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика микропроцессорный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей. Технические характеристики и параметры данного прибора приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Технические характеристики и параметры термопреобразователя ТСМУ Метран-274

Измеряемый параметр для ТСМУ Метран-274МП - температура, преобразуемая в изменение омического сопротивления терморезистора, размещенного в термозонде. Программируемый нормирующий преобразователь (ПНП) преобразует сигнал от первичного преобразователя температуры (ППТ) с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) в дискретный сигнал. Дискретный сигнал обрабатывается микропроцессором с целью:

-       линеаризации НСХ ЧЭ ППТ;

-       перестройки пределов измерения в пределах рабочего диапазона температур;

-       перенастройки номинальной статической характеристики в случае замены чувствительного элемента на другой тип.

По всем вышеперечисленным параметрам для решения второй задачи выбран аналоговый преобразователь температуры с унифицированным выходным сигналом ТП Метран-2000[11]. Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика микропроцессорный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей. Технические характеристики и параметры данного прибора приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Технические характеристики и параметры термопреобразователя ТП Метран-2000

Выбор датчиков компании «Метран» был сделан, так как, компания является ведущим специалистом российских брендов в разработке, производстве и сервисном обслуживании интеллектуальных средств измерений для всех отраслей промышленности в России и СНГ.

3.2.2 Средства измерения уровня

Измерение уровня необходимо для контроля количества вещества в емкостях (бункеры, реакторы и пр.) и его расходе (изменении количества вещества во времени). Приборы для измерения уровня называются уровнемерами, а для сигнализации предельных значений уровня (минимального или максимального) - сигнализаторами уровня.

В зависимости от метода преобразования значений уровня в измеряемый электрический или пневматический сигналы уровнемеры делят на следующие группы: поплавковые, гидростатические, ультразвуковые, радарные, емкостные.

Сигнализаторы уровня подразделяют на ультразвуковые, емкостные, вибрационные, радиоизотопные и электромеханические [12].

Для данной системы управления требуется прибор, измеряющий уровень жидкости, для следующей задачи: регулирование уровня щёлоков в котле аппарата в диапазоне 0,15-0,22±0,011 м (контур 1).

По всем вышеперечисленным параметрам для решения первой задачи выбран радарный уровнемер УЛМ-11 предназначен для высокоточного бесконтактного измерения уровня жидких продуктов и сыпучих материалов в резервуарах.

Уровнемер УЛМ-11 оптимизирован для построения систем коммерческого учета и для решения задач по измерению уровня, требующих максимально возможной точности и чувствительности.

Точность измерения и конструктивные особенности позволяют, на основе данных приборов, легко и быстро стоить разветвленные системы измерения уровня для резервуарных парков любой конфигурации и любой степени сложности, а также легко интегрировать уровнемеры УЛМ-11 в уже существующие измерительные комплексы. Технические характеристики и параметры данного прибора приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Технические характеристики и параметры уровнемер УЛМ-11

Универсальность уровнемера УЛМ-11 обусловлена использованием для измерения уровня продукта максимально возможной, на сегодняшний день, частотой электро-магнитного сигнала (СВЧ) в 94ГГц.

Уровнемер УЛМ-11 одинаково пригоден для измерения уровня столь разных по отражательной способности продуктов как сыпучие продукты, жидкости и сжиженные газы. [13]

.2.3 Средства измерения концентрации

pH-метр - прибор для измерения водородного показателя (показателя pH), характеризующего активность ионов водорода в растворах, воде, пищевой продукции и сырье, объектах окружающей среды и производственных системах непрерывного контроля технологических процессов, в том числе в агрессивных средах.

Для данной системы управления требуются прибор, измеряющий pH в конденсате, для определения состояния выпарного аппарата (контур 6).

Согласно данным требованиям подходит промышленный pH-метр pH-4110 с удалённым первичным преобразователем предназначается для измерения активности ионов водорода, окислительно-восстановительного потенциала и температуры водных сред.метр с цифровой индикацией графически отображает измеренные значения pH и температуру или электродвижущую силу и температуру, их пропорциональное преобразование в унифицированные аналоговые выходные сигналы постоянного тока, сигнализацию о выходе измеряемых характеристик за границы установленных значений и их архивирование, обмен данными с компьютером по цифровому интерфейсу RS485. Внешний вид pH-метра приведён на рисунке 5.

Рисунок 5 - промышленный pH-метр pH-4110

метр состоит из измерительного прибора и первичного преобразователя. Корпус первичного преобразователя с окном индикации (тип И) имеет взрывонепроницаемую оболочку. Корпус прибора предназначен непосредственно для навесного монтажа. Градуировка pH-метра по буферным растворам производится из меню измерительного прибора. [14]

Технические характеристики и параметры данного прибора приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Технические характеристики и параметры промышленный pH-метр pH-4110