Автоматизация процесса очистки метанола

Задание

1. Тема проекта: Автоматизация процесса очистки метанола.

2. Исходные данные: Метанол, содержащий 10−12% воды, непрерывно поступает в испаритель, туда же подается воздух, который барботирует через слой водного метанола и насыщается его парами. Паровоздушная смесь идет в реактор, температура в котором 40−50 °С. Реакционные газы сразу же попадают в холодильник, где происходит охлаждение смеси и предотвращается распад продукта.

3. Специальная часть: Предусмотреть:

1) Автоматический контроль расхода метанола (Fм = 3 м3/ч); расхода воздуха (Fв = 30 нм3/ч); давления пара (Рп = 0,5 МПа).

2) Автоматическое регулирование соотношения расходов (1:3) воздух-метанол с коррекцией по уровню в испарителе (L = 1м); температуры в реакторе изменением подачи воды в холодильник.

3) Сигнализацию давления воздуха и верхнего значения уровня метанола в испарителе.

4. Перечень графического материала:

1) Схема автоматизации функциональная;

2) Схема электрическая принципиальная АСР температуры газа в реакторе;

3) Чертёж общего вида щита АСР температуры газа в реакторе.

Автоматизация технологических процессов является одним из решающих факторов повышения производительности и улучшения условий труда. Все существующие и строящиеся промышленные объекты в той или иной степени оснащаются средствами автоматизации.

Проектами наиболее сложных производств, особенно в черной металлургии, нефтепереработке, химии и нефтехимии, на объектах производства минеральных удобрений, энергетики и в других отраслях промышленности, предусматривается комплексная автоматизация ряда технологических процессов.

Интенсификация и усложнение металлургических процессов, рост единичной мощности агрегатов и повышение требований к качеству готовой продукции привело к внедрению сложных многоуровневых систем автоматизации с применением вычислительной техники — автоматизированных систем управления технологическими процессами.

АСУ ТП становятся неотъемлемой частью новых крупных производственных агрегатов, технологических линий и производств и являются качественно новым этапом автоматизации производства, позволяющим комплексно автоматизировать технологический процесс.

До появления АСУ ТП и управляющих вычислительных машин эффективно эксплуатировались различные локальные системы автоматизации. Основное назначение АСУ ТП — объединить их в единую, взаимоувязанную систему, обеспечивающую управление на качественно новом уровне — с использование в управлении технико-экономических параметров и критериев.

Как известно, для реализации систем необходимо составить проект, являющийся основанием для финансирования работ, комплектирования технических средств, выполнения монтажа и внедрения. Проектирование осуществляется на основе технико-экономических обоснований или другой предпроектной документации, подтверждающей экономическую целесообразность и хозяйственную необходимость создания проектируемой системы.

При разработке проектов должны обеспечиваться передовой технический уровень и высокая экономическая эффективностью.

1. Описание технологического процесса с обоснованием контролируемых и регулируемых параметров

Технологический процесс, рассматриваемый в работе, представлен тремя взаимосвязанными объектами. В испарителе происходит испарение метанола. Метанол, содержащий 10−12% воды, непрерывно поступает в испаритель, туда же подается воздух, который барботирует через слой водного метанола и насыщается его парами. Затем паровоздушная смесь идет в реактор. Паровоздушная смесь попадает в реактор, температура в котором 500−600°С. Реакционные газы сразу же попадают в холодильник, где происходит охлаждение смеси и предотвращается распад продукта.

Рисунок 1 — Технологическая схема процесса Входными параметрами данного технологического процесса являются: расход метанола, расход воздуха, уровень метанола, давление воздуха в испарителе, температура в реакторе и расход воды в холодильнике.

Выходными параметрами данного технологического процесса являются: температура реакционных газов и давление пара в холодильнике.

1.1 Контролируемые параметры

Контролируемыми параметрами в испарителе являются: расход метанола, расход воздуха и давление пара. По технологическим требованиям расход метанола должен составлять Fм = 3м3/ч, расход воздуха Fв = 30 нм3/ч.

Контролируемыми параметрами в реакторе являются давление пара, которое по технологическим требованиям должно составлять Рп = 0,5 МПа.

1.2 Регулируемые параметры

Регулируемым параметром в испарителе является соотношение расходов воздух-метанол, причем регулирование происходит с коррекцией по уровню метанола в испарителе. Уровень метанола в испарителе составляет L = 1 м.

Регулируемым параметром в реакторе является температура. Температура в реакторе регулируется изменением подачи воды в холодильник. По технологическим требованиям температура в реакторе должна находиться в диапазоне 40−50°С.

Рисунок 2 — Структурная схема технологического процесса

2. Выбор и обоснование средств автоматизации

металлургический процесс автоматизация испаритель На функциональной схеме изображены все средства автоматизации, необходимые для контроля и регулирования параметров которые в свою очередь обеспечивают стабильность работы связанных между собой агрегатов.

Наиболее важным параметром в нашей схеме является температура в реакторе. Для ее регулирования необходимы следующие средства автоматизации:

В данной схеме, как наиболее оптимальный, выбираем контактный метод измерения температуры. В качестве датчика выбираем термоэлектрический преобразователь или термопару, которая обладает унифицированным сигналом, воспринимаемым вторичным прибором без нормирующего преобразователя. Чувствительный элемент термопары представляет собой два термоэлектрода, сваренных между собой на рабочем конце в термопару (спай) и изолированных по всей длине при помощи одноили двухканальных трубок и бус из пиро-метрического фарфора и окиси алюминия. Чувствительный элемент помещается в защитную арматуру, в комплект которой входит водозащищенная головка с колодкой зажимов. Двойные термометры имеют два электрических изолированных чувствительных элемента. Спай поверхностного термоэлектрического термометра электрически соединен с защитной арматурой. Свободные концы термометра через колодку зажимов присоединяются к вторичному прибору или преобразователю. Существует несколько видов термопар, такие как: хромель-копелевая, хромель-алюмелевая, вольфрам-рениевая, платинородиевая, платиновая и т. д. Для диапазона 40−50°С подходит хромель-копелевая термопара ТХК 0179, пределы измерения которой 40−50°С.

Сигнал с термопары поступает на вторичный прибор, в качестве которого выбираем показывающий и регистрирующий интеллектуальный термодатчик ZET 7021 TermoTR-485, предназначенный для измерения и регистрации активного сопротивления, силы и напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных в указанные сигналы.

Приборы рассчитаны на работу с входными сигналами от термопреобразователей сопротивления с номинальной статической характеристикой преобразования 0−5 и 4−20 мА; 0−5 и 0−10 В, 0−50, и 0−100 мВ.

Термодатчик ZET 7021 TermoTR-485 и его разновидности имеют следующие выходные устройства:

Термопреобразователь сопротивления измерение температуры сразу после подачи питания и не требует специального технического обслуживания. Все необходимые настройки устанавливаются при первичной и периодической поверках и сохраняются в памяти измерительного модуля. Установки предназначены для работы в закрытых помещениях без агрессивных сред при температуре окружающего воздуха от 5 до 50 °C и верхнем значении относительной влажности 80% при 35 °C и более низких температурах без конденсации влаги. Они являются восстанавливаемыми изделиями и не создают индустриальных радиопомех.

С учетом вышесказанного интеллектуальный термодатчик ZET 7021 TermoTR-485 оптимальный вариант. В пользу этого говорит и то, что он обладает унифицированным выходным сигналом возможностью подключения к ЭВМ. Датчик имеет малые размеры, в отличие от, КСП, КСД или КСМ, которые безнадежно устарели, следовательно, на их место смело можно ставить интеллектуальный термодатчик ZET 7021 TermoTR-485.

В качестве регулятора, реализующего ПИД-закон регулирования, возьмем Ремиконт Р-130, который входит в состав всех трёх АСР. Ремиконт Р-130 — регулирующий микропроцессорный контроллер. Выбор этого контроллера обусловлен тем, что «Ремиконт» Р-130 представляет собой компактный микропроцессорный контроллер, имеющий 28 каналов ввода/вывода и оснащенный интерфейсным каналом цифровой последовательной связи. На лицевой панели контроллера расположены органы оперативного управления, с помощью которых реализуют большое число оперативных команд. Ремиконт Р-130 реализует функции одноконтурного, каскадного, программного, супервизорного и многосвязного регулирования, а также логико-программное управление с последующим использованием команд и алгебры логики, что обеспечивает высокий уровень регулирования. Кроме того, Р-130 осуществляет:

1) Ручную установку или автоматическую коррекцию параметров настройки в алгоритмах;

2) Безударное изменение режимов управления, а также конфигурирование контуров любой сложности;

3) Избирательное оперативное управление и контроль за контурами регулирования, дистанционное управление используемыми механизмами, контроль технологических координат и идентифицирование аварийных ситуаций;

4) Запись информации в перепрограммируемое ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) с ультрафиолетовым стиранием;

5) Самодиагностику, сигнализацию и идентификацию неисправностей, в том числе выявление отказов аппаратуры, выходов за допустимые границы, короткие замыкания по нагрузке, нарушение обмена информации по локальной сети.

Кроме того, Ремиконт Р-130 имеет сравнительно невысокую стоимость, что позволяет его широко применять в металлургии.

АСР стабилизации температурного режима реализуется на микроконтроллере следующими блоками: блок демпфирования — для сглаживания входного сигнала; блок аналого-цифрового преобразования; блок суммирования, где сигнал сравнивается с задающим воздействием; блок аналогового регулятора; блок сравнения с зоной нечувствительности без изменения направления срабатывания.

В качестве ключа выбора рода работ мы выбираем БРУ-32. Блок типа БРУ-32 выполняет следующие функции: дистанционное переключение с автоматического режима управления на ручной и обратно, кнопочное управление исполнительными устройствами «больше-меньше», световая индикация выходного сигнала регулирующего устройства «больше-меньше» с импульсным входным сигналом, определение положения регулирующего органа.

В качестве исполнительного механизма выбираем МЭО-40/63.

Управление механизмами (пуск, останов, изменения направления движения) осуществляется контактными и бесконтактными устройствами. При контактном управлении используют реверсивные электромагнитные пускатели или реле. Бесконтактное управление механизмами реализуются БСТ-12Р/380−32 (-33) — многофункциональным реверсивным пускателем, которые содержат асинхронный однофазный конденсаторный электродвигатель типа ДАУ или синхронный реверсивный конденсаторный электродвигатель типа ДСР.

В качестве регулирующего органа выберем вентиль регулирующий с электроприводом — 15с997нж.

Запорные и регулирующие угловые вентили применяются на трубопроводах для жидких и газообразных сред с рабочей температурой от -30 до +200°С.

Управление вентилем осуществляется от электропривода и при помощи ручного тумблера. Дополнительно вентиль имеет указатель крайних положений затвора, что обеспечивает легкость и простоту эксплуатации.

Для регулирования соотношения расходов воздух-метанол с коррекцией по уровню в испарителе необходимы следующие средства автоматизации:

В качестве датчиков выбираем:

1) Интеллектуальный многопараметрический датчик расхода SMV 3000.

2) Для измерения уровня — Интеллектуальный ультразвуковой уровнемер Prosonic M.

В качестве измерительных преобразователей выбираем Сапфир-22-ДД-2430 (в комплекте), которые обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра в унифицированный токовый выходной сигнал и на сегодняшний день являются наиболее современными из технических средств подобного класса. Кроме того, применение серийно выпускаемых приборов упрощает монтаж, обслуживание и их эксплуатацию.

Выходной сигнал с преобразователей имеет квадратичную зависимость, поэтому после него устанавливаем блок извлечения корня БИК-1 для получения линейной зависимости между выходным сигналом и измеряемым расходом. В результате получаем токовый унифицированный сигнал, который поступает на вторичный прибор.

В качестве вторичного прибора — интеллектуальный термодатчик ZET 7021 TermoTR-485. В качестве сигнала задания для расхода воздуха и метанола на Р-130 используется соотношение между расходом метанола и расходом воздуха. Для его определения сигнал с интеллектуального термодатчика ZET 7021 TermoTR-485 поступает на блок умножения БУМ, который является частью микроконтроллера.

Сигнал с выхода блока умножения соответствует указанной пользователем пропорции (1:3) от расхода воздуха и поступает на регулирующий блок Р-130. На этот же блок поступает сигнал от цепочки измерения расхода метанола. Сигнал с регулятора поступает на блок ручного управления БРУ-32. С БРУ-32 сигнал поступает на БСТ-12Р/380−32, который предназначен для управления исполнительными механизмами, обеспечивая изменение направления вращения электропривода. Он используется для управления исполнительным механизмом типа МЭО, который работает в системах автоматического управления. В качестве регулирующего органа выбран вентиль, регулирующий фланцевый с электроприводом типа 15кч922бр.

Для контроля давления пара в реакторе, а также для сигнализации давления воздуха в испарителе выбираем следующие средства автоматизации:

В качестве первичного преобразователя для измерения давления используется Сапфир-22-ДИ-2151, предназначенный для преобразования пневматического в электрический унифицированный выходной сигнал. В качестве вторичного показывающего и регистрирующего прибора выбираем интеллектуального термодатчика ZET 7021 TermoTR-485.

Для сигнализации верхнего уровня в испарителе используются:

Интеллектуальный ультразвуковой уровнемер Prosonic M. Уровнемер включает в себя три преобразователя: первичный, промежуточный и передающий. В первичном преобразователе формируется интервал времени в виде электрического импульса, длительность которого пропорциональна значению измеряемого уровня и обратно пропорциональна скорости ультразвуковой волне в стержне. В промежуточном преобразователе производится измерение интервала времени и преобразование его в значение измеряемого уровня в виде числоимпульсного кода. Передающий преобразователь преобразует числоимпульсный код в десятичный и индуцирует его на цифровом табло. Первичный преобразователь устанавливается на резервуаре с измеряемой средой, а промежуточный и передающий устанавливаются по месту либо на щите.

Выбор ЭВМ:

При разработке данной АСУ, выбору ЭВМ необходимо уделить особое внимание. Вся цифровая и графическая информация отображается на ЭВМ, поэтому к ней предъявляются повышение требования по надежности.

Данная ЭВМ работает в режиме «советчика», при котором на неё возложены следующие функции:

1) Контроль параметров, по которым осуществляется оперативное управление процессом;

2) Сигнализация о выходе параметров за допустимые пределы;

3) Вывод на монитор графической информации о ходе технологического процесса;

4) Ввод информации, поступающей из лаборатории;

5) Вывод цифровой и графической информации на печать.

Особое место в работе ЭВМ уделено поиску оптимальных решений с выдачей рекомендаций (советов) оператору. Данная функция осуществляется следующим образом. Через заданные промежутки времени (один раз в 2−5 минут) полученные с микроконтроллера данные о состоянии объекта анализируются с помощью математической модели (ММ). Также по ММ определяются воздействия, необходимые для приближения процесса к оптимуму, результаты предоставляются оператору. Окончательный выбор и осуществление управляющих воздействий остается за оператором. Внесение управляющих воздействий осуществляется путем изменения уставок в микроконтроллер через ЭВМ.

Кроме вышеперечисленных возможностей ЭВМ может работать также и в режиме обучения технологического персонала. В этом случае все вносимые оператором управляющие воздействия не поступают на МК, а пересчитываются по ММ и на монитор выводится график реакции объекта управления на вносимое управляющее воздействие. Процессом управляет МК по заданию, внесенному в него перед отключением режима советчика.

Для того чтобы не выходить из режима советчика и не загружать память ЭВМ, за которой работает оператор-технолог, рекомендуется параллельно ЭВМ установить персональную ЭВМ (ПЭВМ), на которой будет проходить процесс обучения. В качестве посредника между ЭВМ и АСР используем интеллектуального устройства сбора данных DT80 Серия 2, УСД DT80 является автономным полевым робастным низкопотребляющем энергию устройством, отличающимся наличием большой встроенной памяти, USB-интерфейса, 18-битовым АЦП, встроенным жидкокристаллическим дисплеем и многочисленными средствами связи.

3. Описание функциональной схемы автоматизации

Функциональная схема автоматизации технологических процессов является основным техническим документом, определяющим структуру и характер систем автоматизации технологических процессов, а также оснащение их приборами и средствами автоматизации (в том числе средствами вычислительной техники). Функциональная схема автоматизации изображена на чертеже формата А1 (ГАЦМиЗ.КП0000.431А2).

На функциональной схеме показано:

1) Технологическая схема, подлежащая автоматизации;

2) Приборы, средства автоматизации и управления, изображаемые условными обозначениями по действующим стандартам, а также линии связи между ними;

3) Необходимые пояснения к схеме;

4) Таблица условных обозначений, не предусмотренных действующими стандартами.

Также на функциональной схеме указаны предельные значения измеряемых или регулируемых величин.

Технологическое оборудование и трубопроводы изображены упрощенно. Внутренние детали и элементы частей оборудования не показаны, так как они механически не связаны с приборами и средствами автоматизации. На трубопроводах показаны только те вентили, которые участвуют в системе контроля и регулирования процессами.

Линии связи между приборами и средствами автоматизации изображены тонкими линиями, а трубопроводы — толстыми однолинейно независимо от фактического количества труб и электропроводок, осуществляющих эту связь. На линиях связи и трубопроводах сохранены стрелки, показывающие направления передачи сигнала, а также направления потоков веществ соответственно технологической схеме. Линии связи нанесены по возможно кратчайшему расстоянию с наименьшим количеством изгибов и пересечений.

Всем приборам и средствам автоматизации, изображенным на функциональной схеме, присвоены позиционные обозначения, сохраняющиеся во всех документах проекта. Позиционное обозначение приборов и средств автоматизации состоит из двух частей: цифрового обозначения, присваиваемого комплекту и цифрового обозначения присваиваемого прибору или средству автоматизации.

Приборы и средства автоматизации, встраиваемые в технологическое оборудование и коммуникации изображены на схеме в непосредственной близости к ним. Приборы и средства автоматизации, располагаемых на щитах, пультах показаны в прямоугольнике «на щите». Приборы и средства автоматизации, которые располагаются вне щитов показаны в прямоугольнике «по месту». Функциональные блоки микроконтроллера изображены в прямоугольнике, обозначенном «Р-130».

Приборы и средства автоматизации, входящие в состав функциональной схемы приведены в заказной спецификации на оборудование и материалы (приложение).

4. Описание принципиальной электрической схемы

Принципиальная электрическая схема автоматизации (ГАЦМиЗ. КП0000.431Э3) является проектным документом, расшифровывающее принцип действия и работы узлов, устройств и систем автоматизации, работающих от источника электрической энергии.

Принципиальная электрическая схема регулирования, входящая в состав проекта автоматизации технологического процесса, выполнена в соответствии с требованиями государственного стандарта по правилу выполнения схем (ГОСТ 2.702−75), условным графическим обозначениям (ГОСТ 2.72−74), маркировке цепей (ГОСТ 2.709−72) и буквенно-цифровым обозначениям элементов (ГОСТ 2.710−81). Принципиальная электрическая схема содержит:

1) Силовые цепи;

2) Элементы схемы регулирования;

3) Перечень элементов;

4) Линии связи между приборами, устройствами и их частями, включенными в эту схему.

Контакты реле, приборов и аппаратов показаны в нормальном положении, т. е. при таком их действительном положении, когда отсутствует ток во всех цепях данной схемы и внешнее принудительное механическое воздействие на подвижные контакты.

При разработке данной схемы были соблюдены следующие правила обозначения отдельных участков цепей:

1) Для цепей управления, регулирования и измерения была использована группа чисел 1−399, для цепей сигнализации 400−799, для цепей питания 800−999 (цепь питания вторичного прибора и УСД). Цепи схемы пронумерованы сверху вниз — слева.

2) Входные и выходные участки цепи постоянного тока (силовые цепи) маркированы с указанием полярности. Участки цепей положительной полярности маркированы нечетными числами.

3) Линии связи состоят из горизонтальных и вертикальных отрезков и имеют наименьшее число изломов и взаимных пересечений.

Маркировка на схеме расставлена при горизонтальном расположении цепей — над участком проводника, при вертикальном расположении — слева от участка проводника. Цепь управления маркирована последовательными числами в пределах установки.

Перечень элементов схемы выполнен над основной надписью чертежа согласно ГОСТ 2.702−75.

Данная схема выполнена применительно к отдельному участку, а именно АСР температуры газовой смеси в реакторе.

Схема работает следующим образом:

Первичный сигнал в виде термоЭДС с термопары ТХК-0179 поступает на входную цепь вторичного показывающего и регистрирующего прибора Диск-250, в котором происходит преобразование первичного сигнала. Выходным сигналом в цепи устройства преобразования Диск-250 является непрерывный электрический сигнал величиной 5 мА.

Также, этот сигнал поступает на КБС-3 (клемно-блочный соединитель 3), который входит в комплект микропроцессорного контроллера «Ремиконт Р-130». В этот комплект входит и блок питания (БП-1), который соединен с блоком контроллера (БК-1) через клемно-блочный соединитель 1 (КБС-1).

Блок контроллера вырабатывает импульсный управляющий сигнал, который поступает в блок ручного управления (БРУ-32), посредством которого выбирается соответствующий режим работы системы и переключение с ручного управления на автоматическое. Кроме того, блок обеспечивает кнопочное управление и снабжен световой индикацией выходного сигнала, схема которой не показана на чертеже.

Если выбран режим ручного управления, то перемещением регулирующего органа можно управлять с помощью ручки ручного управления (ключ больше/меньше) расположенной на панели блока ручного управления.

В режиме автоматического управления однофазный сигнал с Р-130 посредством бесконтактного реверсивного магнитного пускателя поступает на исполнительный механизм (МЭО-40/63) и на пускатель (ПБР-2М) для приведения в действие регулирующего органа, расположенного на технологическом трубопроводе. Также предусмотрен режим управления и контроля с помощью ЭВМ. Переход в этот режим осуществляется переключением ключа SA-2 в положение ЭВМ.

В данной схеме предусмотрены два показывающих миллиамперметра, контролирующих силу тока цепи термоЭДС.

Питание схемы осуществляется от сети со стандартным переменным напряжением 220 В. Согласно требованиям стандартов электробезопасности все приборы надежно заземлены, а исполнительный двигатель снабжен защитой от перегрузки.

Заключение

Внедрение автоматической системы управления технологическим процессом в общую систему производства позволит значительно снизить материальные, энергетические и трудовые затраты на проведение процесса. В результате, помимо повышения конкурентоспособности продукции предприятия в целом, а, следовательно, и увеличения прибыли, улучшатся и социальные условия работников, что занимает далеко не последнее место в настоящее время.

1. Емельянов А. И., Капник О. В. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие по содержанию и оформлению проектов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 400с.

2. Клюев А. С. и др. Проектирование систем автоматизации технологических процесссов: Справочное пособие /Клюев А.С., Глазов Б. В., Дубровский А. Х.; Под. Ред. А. С. Клюева. — М.: Энергия, 1980. — 512 с.

3. Проектирование систем контроля и автоматического регулирования металлургических процессов. Учеб. Пособие для вузов/Глинков Г. М., Маковский В. А., Лотман С. Л., Шапировский М. Р. 2-е изд., перераб. и доп.: — М.: Металлургия, 1986. 352 с.

4. Проектирование систем автоматизации технологических процессов/Сост.: Т. В. Лопатина, И. И. Лапаев; КИЦМ. — Красноярск, 1988. — 36 с.

5. Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник /В.Я. Баранов, Т. Х. Безновская, В. А. Бек и др.; Под общ. ред. В. В. Черенкова. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние. 1987. — 847 с.

6. СТП ГАЦМиЗ 7−99 Текстовые документы в учебном процессе. Общие требования к оформлению.

Приложение

Заказная спецификация на оборудование и материалы