Автоматика тепловых процессов

Введение

Определяющая роль в решении задач обеспечения эффективности производства, надежности и безопасности эксплуатации технологического оборудования принадлежит автоматизированным системам управления технологическими процессами (АСУ ТП).

Вопросы разработки АСУ ТП, выбора средств измерений и автоматики тесно связаны со спецификой технологических процессов и должны быть решены на стадии проектирования соответствующих технологических установок, т.е. инженер теплоэнергетик, участвующий в проектировании технологической установки, должен иметь соответствующие знания.

Эти знания будущие специалисты, обучающиеся по специальности 10.07.00 «Промышленная теплоэнергетика» получают при изучении дисциплины «Автоматика тепловых процессов». Курсовая работа, предусмотренная рабочей программой этой дисциплины способствует закреплению, углублению и обобщению знаний, полученных студентами за время обучения, и применению этих знаний к комплексному решению конкретных инженерных задач по разработке схем теплотехнического контроля и автоматизации теплоэнергетических установок.

Курсовая работа включает в себя разработку системы теплового контроля и автоматики технологической установки, выбор технических средств, определение динамических свойств объекта регулирования и расчет настроек регулятора.

1. Содержание и состав курсовой работы

1.1 Общие положения

Курсовая работа по проектированию системы автоматического регулирования тепловых процессов состоит из пояснительной записки и графической части.

Текстовая часть (пояснительная записка) курсовой работы включает следующие основные разделы:

1. Введение.

2. Характеристика объекта автоматизации и разработка функциональной схемы автоматики.

3. Выбор средств автоматизации и теплового контроля.

4. Расчет оптимальных настроек автоматического регулятора

5. Список литературы

Ориентировочный объем пояснительной записки к курсовой работе - - 10…15 страниц печатного текста.

Графическая часть состоит из одного чертежа - функциональной схемы автоматизации заданной технологической установки. Подробные указания по выполнению функциональной схемы приведены в разделе 4.

2. Пояснения к текстовой части проекта

2.1 Введение

Рассматривают общие задачи автоматизации данной отрасли промышленности. Обосновывают целесообразность автоматизации рекомендованного в задании технологического процесса.

2.2 Характеристика объекта автоматизации и разработка функциональной схемы автоматики

Кратко описывают технологический процесс и аппараты, в которых он осуществляется. На основе анализа технологического процесса выбирают параметры, регулирование которых необходимо осуществлять для обеспечения безопасной эксплуатации технологической установки, экономичности ее работы и высокого качества получаемой продукции.

После выбора регулируемых и регулирующих параметров выбирают параметры, подлежащие измерению, регистрации (параметры, необходимые для расчета технико-экономических показателей работы технологической установки, подстройки регуляторов и т.п.), сигнализации и так далее.

На основе проведенного анализа технологического процесса разрабатывается функциональная схема автоматизации и теплового контроля заданной технологической установки.

2.3 Выбор средств автоматизации и теплового контроля

Средства автоматизации, используемые для управления технологическим процессом, должны быть выбраны с учетом динамических свойств объекта регулирования, преимущественно отечественные, выпускаемые серийно.

Необходимо стремиться к применению однотипных средств измерения унифицированных систем, характеризуемых простотой сочетания, взаимозаменяемостью и удобством компоновки на щитах управления. Использование однотипной аппаратуры дает значительные преимущества при монтаже, наладке, эксплуатации, обеспечении запасными частями и т.п.

В качестве локальных средств сбора и накопления первичной информации (автоматических датчиков), вторичных приборов, регулирующих и исполнительных устройств следует использовать приборы и средства автоматизации Государственной системы промышленных приборов (ГСП).

В заключении этого раздела приводится спецификация на все выбранные средства автоматизации и измерения. Указания по заполнению спецификации приведены в разделе 4.

2.4 Выбор и расчет оптимальных настроек автоматического регулятора

По заданной разгонной характеристике находятся параметры характеризующие динамические свойства объекта регулирования и записывается его передаточная функция. Используя методику изложенную в разделе 6 выполняется расчет настроек автоматического регулятора реализующего П-, ПИ-, и ПИД - законы регулирования

3. Указания по выбору средств автоматизации

Конкретные типы средств автоматизации выбирают с учетом особенностей технологического процесса и его параметров.

В первую очередь принимают во внимание такие факторы, как пожаро- и взрывоопасность, агрессивность и токсичность среды, число параметров, участвующих в управлении, и их физико-химические свойства, дальность передачи сигналов информации и управления, требуемые точность и быстродействие. Эти факторы определяют выбор методов измерения технологических параметров, требуемые функциональные возможности регуляторов и приборов (законы регулирования, показание, запись и т.д.), диапазоны измерения, классы точности, вид дистанционной передачи и т.д.

Приборы и средства автоматизации следует подбирать по справочной литературе (9, 12, 15, 16), исходя из следующих соображений:

- для контроля и регулирования одинаковых параметров технологического процесса необходимо применять однотипные средства автоматизации, выпускаемые серийно;

- при большом числе одинаковых параметров рекомендуется применять многоточечные приборы;

- при автоматизации сложных технологических процессов необходимо использовать вычислительные и управляющие машины;

- класс точности приборов должен соответствовать технологическим требованиям;

- для автоматизации технологических аппаратов с агрессивными средами необходимо предусматривать установку специальных приборов, а в случае применения приборов в нормальном исполнении нужно защищать их.

Наиболее распространенные типы промышленных вторичных приборов, входящих в ГСП, представлены ниже:

Приборы ПВ являются вторичными приборами пневматической системы «Старт» и применяются для измерения любых технологических параметров, предварительно преобразованных в давление сжатого воздуха (унифицированный пневматический сигнал). В частности, прибор ПВ 10.1Э предназначен для работы с одним из регуляторов системы «Старт». Он записывает на ленточную диаграмму величину регулируемого параметра, показывает значение сигнала задания и управляющего воздействия в прибор входит станция управления регулятором.

Автоматические потенциометры КСП уравновешенные мосты КСМ, миллиамперметры КСУ применяют для измерения, записи и регулирования (при наличии регулирующего устройства) температуры и других параметров, изменение которых может быть преобразовано в изменение напряжения постоянного тока, активного сопротивления, силы тока постоянного тока.

Потенциометры КСП-4 в зависимости от модификации могут работать или в комплекте с одной или несколькими (если прибор многоточечный) термопарами стандартных градуировок, или с одним или несколькими источниками постоянного напряжения.

Уравновешенные мосты КСМ-4 работают в комплекте с одним или несколькими термометрами сопротивления стандартных градуировок, а миллиамперметры КСУ-4 - в комплекте с одним или несколькими источниками сигналов постоянного тока.

Вторичные приборы КСД работают в комплекте с первичными измерительными преобразователями, снабженными дифференциально-трансформаторными датчиками.

Каждый тип приборов, указанных выше, выпускается в различных модификациях, отличающихся размерами, диапазонами измерения, количеством входных сигналов, наличием вспомогательных устройств и т.д.

Выбирая тот или иной прибор по функциональному признаку, необходимо простоту и дешевизну аппаратуры сочетать с требованиями контроля и регулирования данного параметра. Наиболее важные параметры следует контролировать самопишущими приборами, более сложными и дорогими, чем показывающие приборы. Регулируемые параметры технологического процесса необходимо, также контролировать самопишущими приборами, что имеет значение для корректировки настройки регуляторов.

При выборе вторичных приборов для совместной работы с однотипными датчиками одной градуировки и с одинаковыми пределами измерения следует учитывать, приборы КСП, КСМ, КСД выпускаются с числом точек 3,6,12. В многоточечных приборах имеется переключатель, автоматически и поочередно подключающий датчик к измерительной схеме. Печатающее устройство, расположенное на каретке, отпечатывает на диаграмме точки с порядковым номером датчика.

При выборе вида унифицированного сигнала канала связи от датчика до вторичного прибора принимается во внимание длина канала связи. При длине до 300 м можно применять любой унифицированный сигнал, если автоматизируемый технологический процесс не является пожаро- и взрывоопасным. При пожаро- и взрывоопасности и расстоянии не более 60 м целесообразно использовать пневматические средства автоматизации, например регуляторы и приборы системы «Старт». Электрические средства автоматизации характеризуются гораздо меньшим запаздыванием и превосходят пневматические средства по точности измерения (класс точности большинства пневматических приборов - 1,0, электрических - 0,5). Применение электрических средств упрощает внедрение вычислительных машин.

Выбирая датчики и вторичные приборы для совместной работы, следует обращать внимание на согласование выходного сигнала датчика и входного сигнала вторичного прибора.

Например, при токовом выходном сигнале датчика входной сигнал вторичного прибора тоже должен быть токовым, причем род тока и диапазон его изменения у датчика и вторичного прибора должны быть одинаковыми. Если это условие не выполняется, то следует воспользоваться имеющимися в ГСП промежуточными преобразователями одного унифицированного сигнала в другой (табл. 1).

Таблица 1. Наиболее распространенные промежуточные преобразователи ГСП

Промежуточный преобразователь НП-П3 используется в качестве нормирующего для преобразования выходного сигнала дифференциально-трансформаторного преобразователя в унифицированный токовый сигнал.

Преобразователи ЭПП-63 и ПЭ-55М осуществляют переход соответственно с электрической ветви ГСП на пневматическую и с пневматической ветви ГСП на электрическую.

При выборе датчиков и приборов следует обращать внимание не только на класс точности, но и на диапазон измерения. Следует помнить, что номинальные значения параметра должны находиться в последней трети диапазона измерения датчика или прибора. При невыполнении этого условия относительная погрешность измерения параметра значительно превысит относительную приведенную погрешность датчика или прибора. Таким образом, не следует выбирать диапазон измерения с большим запасом (достаточно иметь верхний предел измерения, не более чем на 25% превышающий номинальное значение параметра).

Если измеряемая среда химически активна по отношению к материалу датчика или прибора (например, пружинного манометра, гидростатического уровнемера, дифманометра для измерения расхода по методу переменного перепада давлений), то его защиту осуществляют с помощью разделительных сосудов или мембранных разделителей.

При автоматизации химико-технологических процессов для изменения расхода жидких сред обычно используют пневматические регулирующие клапаны, включающие исполнительный механизм с пневмоприводом и регулирующий орган.

4. Указания по выполнению функциональных схем автоматизации

Функциональная схема теплового автоматики и контроля разрабатывается в соответствии с требованиями соответствующих нормативных документов [3-7] и оформляется по ГОСТ 21.404-85.

Разработка функциональной схемы автоматики и теплового контроля начинается изображения схемы технологической системы или агрегата (например, изображение системы отопления, системы вентиляции, кондиционирования воздуха, технологической схемы системы теплоснабжения, газоснабжения или теплогенерирующей установки и т.п.).

Технологическое оборудование и коммуникации при разработке функциональных схем должны изображаться упрощенно, без указания отдельных технологических аппаратов и трубопроводов вспомогательного назначения. Однако изображенная таким образом технологическая схема должна давать ясное представление о принципе ее работы.

На технологических трубопроводах показывают ту регулирующую и запорную арматуру, которая непосредственно участвует в управлении процессом, а также запорные и регулирующие органы, необходимые для определения относительного расположения мест отбора импульсов. Технологические коммуникации и трубопроводы жидкости и газа изображают условными обозначениями в соответствии с ГОСТ 2.784-70, приведенными в табл. 2.

Таблица 2. Условные цифровые обозначения трубопроводов для жидкостей и газов по ГОСТ 2.784-70

На технологическую схему проектируемой системы наносят все элементы системы автоматического регулирования. Приборы и преобразователи показываются в виде условных изображений и объединяются в единую систему линиями функциональных связей.

Функциональную схему теплового контроля выполняют, как правило, на одном листе, на котором изображают аппаратуру всех систем контроля, регулирования, управления и сигнализации, относящуюся к данной технологической установке.

Сложные технологические схемы рекомендуется расчленять на отдельные технологические узлы и выполнять функциональные схемы этих узлов в виде отдельных чертежей на нескольких листах или на одном.

Пример функциональной схемы показан на рисунке 1.

Контуры технологического оборудования на функциональных схемах рекомендуется выполнять линиями толщиной 0,6-1,5 мм; трубопроводные коммуникации 0,6-1,5 мм;

приборы и средства автоматизации 0,5-0,6 мм; линии связи 0,2-0,3 мм; прямоугольники, изображающие щиты и пульты, 0,6-1,5 мм.

Приборы, средства автоматизации, электрические устройства и элементы вычислительной техники на функциональных схемах автоматизации показываются в соответствии с ГОСТ 21.404-85 и отраслевыми нормативными документами.

ГОСТ 21.404-85 предусматривает систему построения графических и буквенных условных обозначений по функциональным признакам, выполняемым приборами. Приборы изображаются окружностями разделенными горизонтальной линией. В верхней части окружности наносятся буквенные обозначения измеряемой величины и функционального признака прибора (таблицы 3, 4, 5). В нижней части окружности наносится позиционное обозначение (цифровое или буквенноцифровое), служащее для нумерации отдельных элементов j комплекта измерения.

Таблица 3. Буквенные условные обозначения по ГОСТ 21.404-85

Таблица 4. Дополнительные буквенные обозначения, отражающие функциональные признаки приборов по ГОСТ 21.404-85

Таблица 5. Дополнительные обозначения, отражающие функциональные признаки преобразователей сигналов и вычислительных устройств по ГОСТ 21.404-85

Пример построения условного обозначения прибора для измерения, регистрации и автоматического регулирования перепада давления приведен на рис. 2.

Рис. 2. Пример построения условного обозначения прибора для измерения, регистрации и автоматического регулирования перепада давления

Всем приборам и преобразователям, изображенным на функциональной схеме, присваиваются позиционные обозначения, состоящие из двух частей: арабских цифр - номера функциональной группы и строчных букв русского алфавита - номера прибора и ТСА в данной функциональной группе (например, 5а, 3б и т.п.).

Буквенные обозначения присваивают каждому элементу функциональной группы в порядке алфавита в зависимости от последовательности прохождения сигнала - от устройств получения информации к устройствам воздействия на управляемый процесс (например, приемное устройство - датчик, вторичный преобразователь, задатчик, регулятор, указатель положения, исполнительный механизм, регулирующий орган).

Допускается вместо букв русского алфавита использовать арабские цифры (например, 5-1, 3-2 и т.д.).

Примеры изображения отдельных измерительных каналов приведены на рисунках 3-11

Рис. 3. Индикация и регистрация температуры (TIR).

101-1 Термоэлектрический