Автоматизация установки для приготовления сиропа

Содержание Введение

1. Исходные данные на проектирование

1.1 Схема установки и описание работ

1.2 Перечень контролируемых и регулируемых параметров

1.3Материальный и тепловой баланс установки

1.4 Расчет диаметров трубопроводов

1.5 Технические характеристики объекта автоматизации

2. Разработка функциональной схемы автоматизации

3. Выбор и обоснование средств автоматизации

4. Выбор модулей ввода/вывода контроля Заключение Список используемых источников

Введение

Нормальный ход различных технологических и производственных процессов может быть обеспечен лишь тогда, когда те или иные величины, которые характеризуют эти процессы, удовлетворяют определенным условиям.

Необходимость поддержания постоянства той или иной величины или изменения ее в соответствии с каким-либо законом возникает в самых разнообразных отраслях техники. Сами по себе объекты, в которых протекают те или иные рабочие процессы, часто не обеспечивают их нормального хода, иначе, сами по себе объекты не могут устранить отклонения режима от заданного, вызываемого различными причинами. Поэтому такие объекты снабжаются управляющим или регулирующим органом, воздействием на который можно изменить режим их работы, а значит, нужным образом управлять процессом.

Автоматизация приводит к улучшению основных показателей эффективности производства: увеличению количества, улучшению качества и снижению себестоимости выпускаемой продукции, повышению производительности труда. Внедрение автоматических устройств обеспечивает высокое качество продукции, сокращение брака и отходов, уменьшение затрат.

Цель курсовой работы — ознакомиться студенту с принципами построения современных систем автоматизации технологических процессов, реализованных на базе промышленных контроллеров и ЭВМ. В настоящее время такие системы широко внедряются на предприятиях пищевой промышленности. В ходе выполнения курсовой работы студент решает следующие задачи:

1) Ознакомление с методикой разработки функциональных схем автоматизации технологических процессов на базе серийно выпускаемых приборов и промышленных контроллеров;

2) Ознакомление с характеристиками современных приборов и средств автоматизации;

3) Изучение основных подходов к обоснованному выбору приборов и технических средств автоматизации;

4) Изучение действующих стандартов и других нормативных документов регламентирующих правила оформления технической документации по автоматизации технологических процессов.

1. Исходные данные на проектирование

1.1 Схема установки и описание работ Автоматизация установки приготовления сиропа Рисунок 1 — Схема установки приготовления сиропа Приготовление сиропа производится в установке периодического действия, которая функционирует по следующему алгоритму. Вода и концентрированный сироп (концентрат) подаются в аппарат предварительного смешивания 1. Дозирование воды и концентрата осуществляется отсечными клапанами К1 и К2. После этого клапаны К1 и К2 закрываются и включается мешалка. Перемешивание производится в течении 15 минут. Далее мешалка отключается, открывается клапан К3, и сироп самотеком поступает в смеситель 2. Одновременно в смеситель начинают подаваться вода и жидкий ароматизатор. Дозирование воды и ароматизатора производится отсечными клапанами К4 и К5. Клапан К3 закрывается по нижнему уровню в аппарате 1. После закрытия клапанов К3, К4, К5 включается насос Н1, с помощью которого осуществляется перемешивание в течении 15 минут. Далее насос отключается и открывается клапан К6. Сироп самотеком перетекает в емкость 3 для предварительного подогрева. Клапан К6 закрывается по нижнему уровню в 2. После этого открывается клапан К7 и в рубашку емкости попадает пар. При достижении заданной температуры в емкости 3 клапан К7 закрывается, а клапан К8 открывается, и сироп передается на стадию пастеризации.

1.2 Перечень контролируемых и регулируемых параметров Автоматическое дозирование:

— Концентрата в аппарат 1;

— Воды в смеситель 2.

Автоматическое регулирование:

— Давления пара на входе в 3.

Измерение и регистрация на ЭВМ:

— Расход концентрата на входе в аппарат 1;

— Расход воды на входе в смеситель 2;

— Уровень в аппарате 1;

— Концентрация сахара в смесителе 2;

— Температура в сборнике 3.

Измерение:

— Расход сиропа после насоса Н1;

— Расход сиропа на входе в 2;

— Температура сиропа на входе в 3.

Сигнализация:

— Верхний уровень в аппарате 1;

Автоматическая блокировка:

— Отключение воды по верхнему уровню в 1.

Программное и дистанционное управление:

— Управление двигателем насоса Н1;

— Управление двигателем мешалки аппарата 1;

— Управление отсечными клапанами К1- К8.

1.3 Материальный и тепловой баланс установки По тепловой нагрузке аппарата можно определить расход греющего пара, для этого можно воспользоваться следующим выражением, полученным из уравнения теплового баланса:

(1)

где G_в — расход продукта (жидкости) через теплообменник, кг/с;

1,08 — постоянный коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду;

С — теплоемкость жидкого компонента, Дж/кг•К;

R — удельная теплота парообразования, Дж/кг;

— начальная и конечная температуры нагреваемого

продукта, °С.

=0,14кг/с Определим объемный расход пара:

(2)

Составим материальный баланс аппарата предварительного смешения:

(3)

где G_в — расход воды в аппарате предварительного смешения, т/ч;

G_к — расход концентрата, т/ч;

G_п1 — расход продукта из аппарата смешения, т/ч.

Составим материальный баланс смесителя:

(4)

где G_в2 — расход воды в смесителе, т/ч;

G_а2 — расход ароматизатора в смесителе, т/ч;

G_п2 — расход продукта из смесителя, т/ч.

1.4 Расчет диаметров трубопроводов Диаметр трубопроводов можно определить по расходу продукта:

D =, м, (5)

где Q_п — расход продукта, м³/c;

W — скорость продукта (жидкости), м/с;

D — внутренний диаметр трубопровода, м.

Оптимальная скорость прохождения жидкости соответствует минимуму эксплутационных расходов. Поэтому при расчете трубопроводов скорость движения ориентировочно может быть принята в следующих интервалах:

Движение жидкости при подаче насосом, м/с 1−2,5

Движение самотеком, м/с 0,1−0,5

Для газов, м/с 5−20

Для паров, м/с 15−40

Необходимо рассчитать внутренние диаметры трубопроводов для подачи воды и концентрата в аппарате предварительного смешения, отвода продукта из аппарата, подача воды и концентрата в смесителе, отвод продукта из смесителя, подача пара, продукта на пастеризацию.

Произведем расчет внутреннего диаметра трубопровода для подачи воды в аппарат предварительного смешения. Скорость движения компонента по трубопроводу принимаем W = 0,5м/с. Расчет производим по формуле (5):

Определим объемный расход воды:

Q_в =

Q_в =

d_вн = = 0,032 м Принимаем для подачи воды в аппарат предварительного смешения стальные нержавеющие трубы из стали с внутренним диаметром dвн = 32 мм.

Произведем расчет внутреннего диаметра трубопровода для подачи концентрата в аппарат предварительного смешения. Скорость движения компонента по трубопроводу принимаем W = 0,5м/с. Расчет производим по формуле (5):

Определим объемный расход концентрата:

Q_п =

где с — плотность концентрата, кг/м³.

Q_к =

d_вн = = 0,017=0,025 м Принимаем для подачи концентрата в аппарат предварительного смешения стальные нержавеющие трубы из стали с внутренним диаметром dвн = 25 мм.

Произведем расчет внутреннего диаметра трубопровода для отвода продукта из аппарата предварительного смешения. Скорость движения компонента по трубопроводу принимаем W = 0,5м/с. Расчет производим по формуле (5):

Определим объемный расход сиропа:

Q_с =

где с — плотность сиропа, кг/м³.

Q_с =

d_вн = = 0,037=0,04 м Принимаем для отвода продукта из аппарата предварительного смешения стальные нержавеющие трубы из стали с внутренним диаметром dвн = 40 мм.

Произведем расчет внутреннего диаметра трубопровода для подачи воды в смеситель. Скорость движения компонента по трубопроводу принимаем W = 0,5м/с. Расчет производим по формуле (5):

Определим объемный расход воды:

Q_в =

d_вн = = 0,032 м Принимаем для подачи воды в смеситель стальные нержавеющие трубы из стали с внутренним диаметром dвн = 32 мм.

Произведем расчет внутреннего диаметра трубопровода для подачи ароматизатора в смеситель. Скорость движения компонента по трубопроводу принимаем W = 0,5м/с. Расчет производим по формуле (5):

Определим объемный расход ароматизатора:

Q_а =

где с — плотность ароматизатора, кг/м³.

Q_а =

d_вн = = 0,017=0,025 м Принимаем для подачи ароматизатора в смеситель стальные нержавеющие трубы из стали с внутренним диаметром dвн = 25 мм.

Произведем расчет внутреннего диаметра трубопровода для перемешивания в смесителе. Скорость движения компонента по трубопроводу принимаем W = 2м/с. Расчет производим по формуле (5):

Определим объемный расход сиропа:

Q_с =

где с — плотность сиропа, кг/м³.

Q_с =

d_вн = = 0,025 м Принимаем для перемешивания в смесителе стальные нержавеющие трубы из стали с внутренним диаметром dвн = 25 мм.

Произведем расчет внутреннего диаметра трубопровода для подачи в емкость для предварительного подогрева. Скорость движения компонента по трубопроводу принимаем W = 0,5м/с. Расчет производим по формуле (5):

d_вн = = 0,05 м Принимаем для подачи в емкость предварительного подогрева стальные нержавеющие трубы из стали с внутренним диаметром dвн = 50 мм.

Произведем расчет внутреннего диаметра трубопровода для подачи пара и отвода конденсата. Скорость движения пара по трубопроводу принимаем W = 15 м/с. Расчет производим по формуле (5):

d_вн = = 0,1 м Принимаем для подачи пара стальные нержавеющие трубы из стали с внутренним диаметром dвн = 100 мм.

Произведем расчет внутреннего диаметра трубопровода для отвода готового продукта из емкости для предварительного нагрева. Скорость движения компонента по трубопроводу принимаем W = 0,5м/с. Расчет производим по формуле (5):

d_вн = = 0,05 м Принимаем для отвода готового продукта из емкости предварительного нагрева стальные нержавеющие трубы из стали с внутренним диаметром dвн= 50 мм.

1.5 Технические характеристики объекта автоматизации Производительность по готовому продукту 4т/ч Контроллер Simatic S7−300

Уровень в аппарате 1 2 м Температура в емкости для предварительного нагрева 70? С Концентрация сахара в смесителе 20%

Расход концентрата 0,5т/ч Расход воды на входе в смеситель 2 1,5т/ч Погрешность преобразователя давления ±0,0004 МПа

Погрешность термопреобразователя сопротивления ±0,175?С Погрешность волноводного уровнемера ±5мм автоматизация установка приготовление сироп

2. Разработка функциональной схемы автоматизации Для измерения расхода концентрата в аппарат 1 в трубопроводе установлен расходомер переменного перепада давления 1а, 1б с выходным сигналом 4−20мА, который поступает на вход модуля аналогового ввода AI SM 331 контроллера Simatic S7−300. Регулирование осуществляется путем изменения расхода регулирующим органом, установленным на трубопроводе подачи концентрата. Этот регулирующий орган оснащен электродвигательным исполнительным механизмом 1д с сигнализацией угла поворота 2. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO SM 322 через магнитный пускатель 1 В. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода DI SM 321. Для управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция 1 г.

Для измерения расхода воды в смеситель 2 в трубопроводе установлен расходомер переменного перепада давления 3а, 3б с выходным сигналом 4−20мА, который поступает на вход модуля аналогового ввода AI SM 331 контроллера Simatic S7−300. Регулирование осуществляется путем изменения расхода регулирующим органом, установленным на трубопроводе подачи воды в смеситель 2. Этот регулирующий орган оснащен электродвигательным исполнительным механизмом 3д с сигнализацией угла поворота 4. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO SM 322 через магнитный пускатель 3 В. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода DI SM 321. Для управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция 3 г.

Для измерения давления пара на входе в 3 применяется измерительный преобразователь давления 5а. На выходе преобразователя давления формируется унифицированный токовый сигнал (4−20мА) который подается на вход модуля аналогового ввода AI SM 331 контроллера Simatic S7−300. Этот модуль предназначен для ввода унифицированного токового сигнала 4−20 мА. Регулирование осуществляется путем изменения давления регулирующим органом, установленным на трубопроводе подачи пара. Этот регулирующий орган оснащен электродвигательным исполнительным механизмом 5 г с сигнализацией угла поворота 6. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO SM 322 через магнитный пускатель 5б. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода DI SM 321. Для управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция 5 В.

Для измерения и регистрации на ЭВМ уровня в аппарате 1 используется волноводный уровнемер. Данный уровнемер состоит из зонда, погружаемого непосредственно в раствор 7а и преобразователя 7б, установленного рядом с оборудованием. На выходе преобразователя формируется унифицированный токовый сигнал 4−20мА, который подается на вход модуля аналогового ввода AI SM 331 контроллера Simatic S7−300. Для сигнализации верхнего уровня в аппарате 1, предусмотрена сигнальная лампа HL1 установленная на щите. Эта лампа подключена к модулю дискретного вывода DO SM 322. При достижении верхнего уровня в аппарате 1 происходит отключение подачи воды. Осуществляется блокировка регулирующим органом, установленным на трубопроводе подачи воды. Этот регулирующий орган оснащен электродвигательным исполнительным механизмом 7д. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO SM 322 через магнитный пускатель 7 В. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода DI SM 321. Для управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция 7 г.

Для измерения и регистрации на ЭВМ концентрации сахара в смесителе 2 установлен концентратомер микропроцессорный 8а, 8б. На выходе концентратомера формируется унифицированный токовый сигнал (4−20мА) который поступает на вход модуля аналогового ввода AI SM 331 контроллера Simatic S7−300.

Для измерения и регистрации на ЭВМ температуры в сборнике 3 используется термопреобразователь сопротивления 9. На выходе термопреобразователя сопротивления формируется унифицированный токовый сигнал (4−20мА) который подается на вход модуля аналогового ввода AI SM 331 контроллера Simatic S7−300.

Для измерения расхода сиропа после насоса Н1 в трубопроводе установлен расходомер переменного перепада давления 10а, 10б с выходным сигналом 4−20мА, который поступает на вторичный показывающий прибор 10 В.

Для измерения расхода сиропа на входе в 2 в трубопроводе установлен расходомер переменного перепада давления 11а, 11б с выходным сигналом 4−20мА, который поступает на вторичный показывающий прибор 11 В.

Для измерения температуры сиропа на входе в 3 используется термопреобразователь сопротивления 12а. На выходе термопреобразователя сопротивления формируется унифицированный токовый сигнал (4−20мА) который подается на вход вторичного показывающего прибора 12б.

Управление электродвигателем М1 привода насоса осуществляется сигналом с модуля дискретного вывода DO SM 322 контроллера Simatic S7−300 через магнитный пускатель 13а. Включение/отключение двигателя может осуществляться в ручном режиме по сигналу с ЭВМ либо с помощью кнопочной станции 13б. Для реализации сигнализации состояния двигателя (включен/отключен) на ЭВМ слаботочный контакт магнитного пускателя подключается к входу модуля дискретного ввода DI SM 321.

Управление электродвигателем М2 привода мешалки осуществляется сигналом с модуля дискретного вывода DO SM 322 контроллера Simatic S7−300 через магнитный пускатель 14а. Включение/отключение двигателя может осуществляться в ручном режиме по сигналу с ЭВМ либо с помощью кнопочной станции 14б. Для реализации сигнализации состояния двигателя (включен/отключен) на ЭВМ слаботочный контакт магнитного пускателя подключается к входу модуля дискретного ввода DI SM 321.

Регулирование подачи в смеситель 2 осуществляется регулирующим органом, установленным на трубопроводе подачи смеси. Этот регулирующий орган оснащен электродвигательным исполнительным механизмом 15 В. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO SM 322 контроллера Simatic S7−300 через магнитный пускатель 15а. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода DI SM 321. Для управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция 15б.

Регулирование подачи ароматизатора в смеситель 2 осуществляется регулирующим органом, установленным на трубопроводе подачи ароматизатора. Этот регулирующий орган оснащен электродвигательным исполнительным механизмом 16 В. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO SM 322 контроллера Simatic S7−300 через магнитный пускатель 16а. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода DI SM 321. Для управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция 16б.

Регулирование подачи в сборник 3 осуществляется регулирующим органом, установленным на трубопроводе подачи смеси. Этот регулирующий орган оснащен электродвигательным исполнительным механизмом 17 В. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO SM 322 контроллера Simatic S7−300 через магнитный пускатель 17а. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода DI SM 321. Для управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция 17б.

Регулирование подачи смеси осуществляется регулирующим органом, установленным на трубопроводе подачи смеси на пастеризацию. Этот регулирующий орган оснащен электродвигательным исполнительным механизмом 18 В. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO SM 322 контроллера Simatic S7−300 через магнитный пускатель 18а. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода DI SM 321. Для управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция 18б.

3. Выбор и обоснование средств автоматизации Выбрать термопреобразователь сопротивления для измерения температуры в сборнике 3:

По справочному пособию /2/ предварительно выберем термопреобразователь сопротивления ТСМУ Метран 274 с диапазоном измеряемых температур -50−180, номинальной статической характеристикой 100 М. Проверим далее, обеспечивает ли данный термопреобразователь требуемую по условию точность измерения. По таблице Г. 2 приложения Г/2/ определим предельно допустимое отклонение от НСХ термопреобразователя сопротивления НСХ 100М:

Так как пределы не превышают по модулю пределов максимально допустимой погрешности измерений, то выбранный термопреобразователь обеспечивает требуемую точность измерения.

Выбрать преобразователь для измерения избыточного давления пара.

Исходные данные. Давление постоянное. Рабочее значение давления воды 0,2МПа, максимально допустимая погрешность измерений преобразователя ??=±0,005 МПа.

Определяем верхний предел измерения преобразователя 0,2/(¾)=0,27МПа. Выбираем по справочнику /2/ преобразователь избыточного давления Метран 100-ДИ, модель 1152, применяемый для измерения давления пара. Верхний предел измерения 0,4 МПа. Диапазон измерения выбран таким образом, чтобы максимальное рабочее значение давления составляло примерно ¾ от диапазона измерения, поскольку давление в трубопроводе постоянное.

Основная погрешность данного преобразователя составляет ±0,1% от диапазона измерения и равна

=±0,4•0,1/100=±0,0004 МПа.

Поскольку р не превышает максимально допустимую погрешность измерений =±0,005 МПа, то выбранный преобразователь обеспечивает требуемую точность измерений.

Подобрать измерительный преобразователь уровня для измерения уровня в аппарате 1:

Исходные данные. Максимальное рабочее значение уровня 2 м. Процесс характеризуется наличием турбулентности и интенсивным пенообразованием. Максимально допустимая погрешность измерений преобразователя

Определяем необходимый верхний предел измерения таким образом, чтобы максимальное значение измеряемого параметра лежало в последней четверти диапазона L_в=2/(¾)=2,67 м. С учетом условий эксплуатации выбираем волноводный уровнемер Метран 3300, модель 3302. Данная модель предназначена для измерения уровня раздела сред в сложных условиях эксплуатации (турбулентность, пенообразование). Диапазон измерения от 0,1 до 3 м. Абсолютная погрешность измерения Эта погрешность не превышает максимально допустимой, заданной в исходных данных.

Расходомер переменного перепада давления Метран. Расходомеры модели Метран-350 (совместное производство с компанией Emerson Process Management) предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности, а также в системах коммерческого учета жидкостей, пара и газов. Основные преимущества: простая установка в трубопровод через одно отверстие; установка в трубопровод без остановки процесса (специальная конструкция); минимальная вероятность утечек измеряемой среды; более низкие потери давления и меньшие длины прямолинейных участков по сравнению с расходомерами на базе сужающих устройств; существенное снижение стоимости монтажа и обслуживания благодаря интегральной конструкции; легкость взаимодействия с существующими контрольными системами или вычислителями расхода посредством интеллектуального протокола коммуникаций HART и Modbus; простота перенастройки динамического диапазона; высокая надежность, отсутствие движущихся частей.

Измеряемые среды: газ, пар, жидкость. Параметры измеряемой среды: температура −40…−400°С — интегральный монтаж, −40…−677°С — удаленный монтаж; избыточное давление в трубопроводе 25 МПа; Диаметр трубопровода, D, мм: 50…1820 (с сенсором Annubar 485); 12,5…50 (с сенсором Annubar Diamond II+).

Пределы основной допускаемой относительной погрешности измерений массового (объемного) расхода до ±1%.

В состав расходомера входят: первичный измерительный преобразователь (сенсор) Annubar® Diamond II+ или Annubar® 485; датчик дифференциального давления (3051S для объемных расходомеров Метран-350-SFA, 3051С для объемных расходомеров Метран-350-Р), многопараметрический датчик давления (3095MV для массовых расходомеров Метран-350-MFA, Метран-350-М; 3095FB для объемных расходомеров Метран-350-Р); термопреобразователь сопротивления ТСП 100 (Pt 100) серий 65, 68, 75, 78, 183 и 185 (для массовых расходомеров Метран-350-MFA, Метран-350-М). Датчики дифференциального давления 3051S, 3051С обеспечивают измерение создаваемого на сенсоре перепада давлений, пропорционального объемному расходу при реальных значениях давления и температуры измеряемой среды; преобразование значения объемного расхода в выходной сигнал 4.20 мА и (или) цифровой код по протоколу HART, a также в показания расхода на встроенном жидкокристаллическом индикаторе. Многопараметрические датчики давления 3095MV, 3095FB обеспечивают: измерение статического давления (избыточного или абсолютного); измерение возникающего на сенсоре перепада давлений; измерение температуры измеряемой среды при помощи термопреобразователя сопротивления, размещенного в сенсоре, или отдельного термопреобразователя сопротивления типа ТСП (Pt100); вычисление массового расхода и суммарной массы при реальных значениях давлений и температуры измеряемой среды; вычисление объемного расхода и суммарного объема, приведенного к нормальным условиям; преобразование значения массового расхода в выходной сигнал 4.20 мА и (или) цифровой код по цифровому протоколу HART (3095MV) или Modbus (3095FB), а также в показания расхода, количества, перепада давлений, статического давления, температуры на дополнительном жидкокристаллическом индикаторе.

Принцип действия расходомера Метран-350 основан на измерении расхода и количества среды (жидкости, газа, пара) методом переменного перепада давления с использованием осредняющих напорных трубок (далее сенсор) моделей Annubar Diamond 11+ (4 поколение) и Annubar 485 (5 поколение), на которых возникает перепад давлений, пропорциональный расходу. Сенсор устанавливается перпендикулярно направлению потока, пересекая его по всему сечению. По назначению расходомеры делятся на модели: Метран-350-MFA, Метран-350-М — для измерения массового расхода, накопленной массы жидкостей, пара и газов, а также объемного расхода и накопленного объема газов, приведенного к стандартным условиям по ГОСТ 2939. Дополнительно расходомеры этих моделей измеряют суммарный накопленный объем и массу, абсолютное (избыточное) давление, перепад давлений и температуру рабочей среды; Метран-350-SFA, Метран-350-Р — для измерения объемного расхода жидкостей пара и газов в условиях эксплуатации. Дополнительно расходомеры этих моделей измеряют перепад давлений на сенсоре.

Пределы измерений массового (F_min, F_max) и объемного (Q_min, Q_max) расходов для воды при температуре 20 °C и давлении 100 кПа; газа (воздуха) при температуре 20 °C и давлении 100 кПа; пара при температуре 100 °C и давлении 100 кПа приведены в таблице 4.3. Расходомеры с видом взрывозащиты взрывонепроницаемая оболочка и специальный соответствуют требованиям ГОСТ Р 51 330.0, ГОСТ Р 51 330.1 и выполняются с уровнем взрывозащиты — взрывобезопасный с маркировкой по взрывозащите 1ExdllCT6(T5) X.

Рисунок 2 — Расходомер переменного перепада давления Метран-350

В измерительных преобразователях давления измеряемое давление или разряжение уравновешивается силами упругого противодействия различных чувствительных элементов (трубчатые пружины, мембраны, сильфоны) деформация которых, пропорциональная измеряемому параметру, преобразуется измерительным преобразователем в унифицированный сигнал.

Измерительный (интеллектуальный) преобразователь давления серии Метран-100 предназначены для измерения давления жидкости, газа, газообразного кислорода, кислородосодержащих газовых смесей и пищевых продуктов. Диапазоны измеряемых давлений: минимальный 0.0,04 кПа, максимальный 0.100 МПа. Основная погрешность измерений до ±0,1 от диапазона измерений. Исполнения по ГОСТ 12 997: обыкновенное; взрывозащищенное (Ех, Вн). Преобразователи обеспечивают непрерывное преобразование в унифицированный аналоговый токовый сигнал (0.5 мА, 4.20 мА) и (или) цифровой сигнал в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS485 следующих входных величин: избыточного давления (Метран-100-ДИ); абсолютного давления (Метран-100-ДА); разрежения (Метран-100-ДВ); давления-разрежения (Метран-100-ДИВ); разности давлений (Метран-100-ДД); гидростатического давления (Метран-100-ДГ) Рисунок 3 — Измерительные (интеллектуальные) преобразователи давления серии Метран-100

Волноводный уровнемер серии Метран-3300.Волноводные уровнемеры серии 3300 — это интеллектуальные приборы, построенные на основе волноводной технологии и обеспечивающие надежные измерения уровня жидкостей и взвесей в сложных условиях эксплуатации. Основные достоинства: точность измерений не зависит от диэлектрической проницаемости, плотности, температуры, давления и рН; различные типы зондов позволяют применять преобразователь в резервуарах с внутренними конструкциями, турбулентностью, пеной и для сред, которые образуют пленку на зонде; надежное измерение уровня сыпучих веществ (гранулы, порошки); простота установки; возможность одновременного измерения уровня внешней поверхности и поверхности раздела двух жидкостей; надежность измерений в условиях высокой турбулентности или вибраций.

Измеряемые среды: жидкие (вода, водные растворы, сжиженный газ, кислоты и др.). Диапазон измерений уровня от 0,1 до 23,5 м. Выходной сигнал: 4.20 мА с цифровым сигналом на базе HART-протокола. Погрешность измерений уровня: ±5 мм для зондов <5 м; ±0,1% от измеряемого расстояния для зондов >5 м. Исполнения: обыкновенное, взрывозащищенное. Маркировка взрывозащиты: искробезопасная цепь 0ExiaIICT4; взрывонепроницаемая оболочка 1Exd[ia]IICT6. Степень защиты от воздействия пыли и воды — IP66 Уровнемеры применяются в следующих отраслях промышленности: пищевая промышленность и производство напитков, фармацевтическая, химическая, контроль питьевой воды.

Принцип действия волноводных уровнемеров основан на технологии рефлектометрии с временным разрешением (TDR — Time Domain Reflectometry). Микроволновые радиоимпульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду, уровень которой нужно определить. Когда радиоимпульс достигает среды с другим коэффициентом диэлектрической проницаемости, из-за разности коэффициентов диэлектрической проницаемости воздуха и жидкости происходит отражение микроволнового сигнала в обратном направлении. Временной интервал между моментом передачи зондирующего импульса и моментом приема эхо-сигнала пропорционален расстоянию до уровня контролируемой среды. Аналогичным образом измеряется расстояние между датчиком и границей раздела двух жидких сред с различными коэффициентами диэлектрической проницаемости. Интенсивность отраженного сигнала зависит от диэлектрической проницаемости среды. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем выше интенсивность отраженного сигнала. Радарный метод имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами измерения уровня: радиоимпульсы практически невосприимчивы к составу среды, атмосфере резервуара, температуре и давлению. Поскольку радиоимпульсы направляются по зонду, эта технология измерения может с успехом применяться для малых и узких резервуаров, а также для резервуаров с узкими горловинами. Выходной сигнал аналоговый 4.20 мА, цифровой по протоколу HART. Давление процесса от -0,1 до 4,0 МПа. Температура процесса от -40 до 1500С. Диапазон измерения от 0,1 м до 23,5 м (зависит от типа зонда). Погрешность измерения ±5 мм для зондов <5 м; ± 0,1% для зондов > 5 м.

Концентратомер микропроцессорный КC-1−3к предназначен для определения концентрации различных электропроводящих химических растворов в любом диапазоне, имеющих однозначную зависимость удельной электропроводности от их концентрации. Основные характеристики концентратомеров КС-1−3к приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Характеристики концентратомеров КС-1−3к

Термопреобразователь сопротивления ТСМУ Метран-274 предназначен для измерения температуры нейтральных и агрессивных сред, по отношению к которым материал защитной арматуры является коррозионностойким. Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика измерительный преобразователь преобразует измеряемую температуру в унифицированный выходной сигнал, что дает возможность построения АСУТП без применения нормирующих преобразователей. Термопреобразователи характеризуются линейной зависимостью выходного сигнала от температуры.

Термопреобразователь сопротивления ТСМУ Метран-274. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления (ТС) основано на изменении электрического сопротивления полупроводников или проводников с изменением температуры. Зависимость сопротивления от температуры определяется номинальной статической характеристикой. Зная эту зависимость, можно по значению сопротивления определить температуру среды, в которую помещен термопреобразователь сопротивления. Диапазон измеряемых температур −50…−150°С. Номинальная статическая характеристика (НСХ) 100 М. Класс допуска (по ГОСТ 665 194) — В. Длина монтажной части 120−200м Краны шаровые с электроприводом предназначены для использования в качестве запорной и регулирующей арматуры для газообразных и жидких сред в системах автоматического регулирования. Механизмы имеют взрывобезопасный уровень с видом взрывозащиты «Искробезопасная цепь» и «Взрывонепроницаемая оболочка» с маркировкой I Exibd II BT4. Климатическое исполнение механизмов «У2», «Т2». Степень защиты механизмов IP54 по ГОСТ 14 254–96 обеспечивает работу механизма при наличии в окружающей среде пыли и брызг воды. Рабочее положение механизмов — любое, определенное положением трубопроводной арматуры. Механизмы изготовляются с одним из следующих блоков сигнализации положения выходного вала: реостатным БСПР, индуктивным БСПИ, токовым БСПТ — с унифицированным сигналом 0…5 мА, 0…20 мА, 4…20 мА по ГОСТ 26.011−80. Нелинейность датчиков блоков сигнализации положения ±2,5%.

Светосигнальная арматура АМЕ применяется для сигнализации крайних положений регулирующих органов, сигнализации работы оборудования, а также в системах аварийной и предупредительной сигнализации. Номинальное напряжение переменного и постоянного тока 24 В.

Пост кнопочный ПКЕ 222. Пост управления кнопочный ПКЕ-222−3 предназначен для коммутации электрических цепей управления переменного тока напряжением до 660 В частотой 50 и 60 Гц и постоянного тока напряжением до 440 В. Посты управления кнопочные ПКЕ устанавливают как на подвижных, так и на неподвижных частях стационарных установок. Номинальный ток 10 А. Номинальное напряжение переменного тока частотой 50 или 60 Гц: 660 постоянного тока: 440.

Магнитный пускатель ПМЕ 222. Пускатели электромагнитные ПМЕ осуществляют защиту управляемых электродвигателей от перегрузок недопустимой продолжительности и от токов, возникающих при обрыве одной из фаз. Пускатели пригодны для работы в системах управления с применением микропроцессорной техники при шунтировании включающей катушки помехоподавляющим устройством или при тиристорном управлении. Предназначены для дистанционного пуска непосредственным подключением к сети и отключения трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Дополнительные функции: реверсирование, при наличии тепловых реле — защита двигателей от перегрузок недопустимой продолжительности, в т. ч. возникающих при выпадении одной из фаз, изменение схемы включения обмоток Y/A.

предназначены для применения в стационарных установках для дистанционного пуска непосредственным подключением к сети, остановки и реверсирования трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором переменного напряжения 660 В частоты 50 и 60 Гц. При наличии трехполюсных тепловых реле серий.

Вторичный измерительный прибор «Сосна-003». Данные приборы применяют для измерения и регулирования температуры, давления, расхода и др. физические величины значения которых могут преобразоваться в унифицированные сигналы 0−5 мА, 4−20 мА. Все данные приборы имеют встроенный интерфейс RS 232/RS485 предназначенный для связи по цифровому каналу с персональным компьютером. Класс точности 1. количество аналоговых входов — 1 — 3 (если универсальный вход, то только 1)

4. Выбор модулей ввода/вывода контроля Модульные программируемые контроллеры Simatic S7−300 предназначены для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности. Области применения контролеров Simatic S7−300/S7−300C охватывают автоматизацию технологических процессов пищевой промышленности, автоматизацию машин специального назначения; автоматизацию текстильных и упаковочных машин; построение систем автоматического регулирования и позиционирования; автоматизированные измерительные установки и другие.

Контроллеры Simatic S7−300 имеют модульную конструкцию и могут включать в свой состав:

1) Модуль центрального процессора (CPU). В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов-выходов и специальных функций, количеством и видом встроенных коммуникационных интерфейсов.

2)Модули блоков питания (PS), обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230 В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110 В.

3)Сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами.

4)Функциональные модули (FM), способные самостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования, обработки сигналов. Функциональные модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае остановки центрального процессора программируемого контроллера.

5)Интерфейсные модули (IM), обеспечивающие возможность подключения к базовому блоку (стойка с CPU) стоек расширения ввода-вывода. Контроллеры Simatic S7−300 позволяют использовать в своем составе до 32 сигнальных и функциональных модулей, а также коммуникационных процессоров.

Центральные процессоры S7−300, предназначенные для построения систем автоматического управления технологическими процессами, представлены следующим модельным рядом. CPU 312 — центральный процессор для построения небольших систем управления, включающих в свой состав до 8 сигнальных, функциональных и коммуникационных модулей. CPU 312C — центральный процессор с 10 дискретными входами и 6 дискретными выходами, а также встроенными функциями скоростного счета (2×10 кГц) и измерения частоты (2×10 кГц) или длительности периода. Может использоваться в качестве автономного блока управления. CPU 313C — центральный процессор с 24 дискретными входами, 16 дискретными выходами, 4 аналоговыми входами для измерения унифицированных сигналов силы тока или напряжения, одним аналоговым входом для подключения термопреобразователя сопротивления Pt100 и 2 аналоговыми выходами. Набор встроенных функций включает в свой состав скоростной счет, измерение частоты или длительности периода, ПИД-регулирование. Может использоваться в качестве автономного блока управления. CPU 313C-2 PtP и CPU 313C-2 DP — центральные процессоры с 16 дискретными входами, 16 дискретными выходами и встроенным интерфейсом MPI. CPU 314C-2 PtP и CPU 314C-2 DP — компактные центральные процессоры с 24 дискретными входами, 16 дискретными выходами, 4 аналоговыми входами для измерения унифицированных сигналов силы тока или напряжения, одним аналоговым входом для подключения термопреобразователя сопротивления Pt100, 2 аналоговыми выходами и встроенным интерфейсом MPI. Набор встроенных функций включает в свой состав скоростной счет, измерение частоты или длительности периода, ПИД-регулирование, позиционирование по одной оси. Могут использоваться в качестве автономных блоков управления. CPU 315−2 DP — центральный процессор с встроенными интерфейсами MPI и ведущего ведомого устройства PROFIBUS DP для построения высокопроизводительных систем автоматизации с развитой системой локального и распределенного ввода-вывода.

В соответствии с функциональной схемой автоматизации установки необходимо 9 каналов аналогового ввода рассчитанных на унифицированный токовый сигнал 4−20мА. Два сигнала от расходомеров 1б, 3б, один сигнал от преобразователя давления 5а, один сигнал от волноводного уровнемера 7б, один сигнал от концентратомера 8б, один сигнал от термопреобразователя сопротивления 9, три сигнала от датчиков положения GE — 2, GE — 4, GE — 6. Для реализации этих каналов используем модуль аналогового ввода AI SM 331 модель 331−7NF00. Данный модуль имеет 8 аналоговых входа, тип входного сигнала 4−20мА.

Для подключения магнитных пускателей 13а, 14а необходимо 2 канала дискретного ввода, для реализации сигнализации крайних положений исполнительных механизмов необходимо 16 каналов дискретного ввода DI SM 321 модель 321−1BH02. Данный модуль имеет 16 дискретных входов. Входное напряжение 24 В.

Для сигнализации верхнего уровня в смесителе 1 необходим 1 канал дискретного вывода, для подключения сигнальной арматуры HL1. Также необходимо 18 каналов для управления магнитными пускателями 1 В, 3 В, 5б, 7 В, 13а, 14а, 15а, 16а, 17а, 18а. Используем модуль дискретного вывода DO SM 322 модель 322−1BH01. Данный модуль имеет 16 дискретных выходов. Выходное напряжение 24 В.

Привязку сигналов контроллера к датчикам и исполнительным механизмам оформим в виде следующей таблицы:

Таблица 2 — Привязка сигналов контроллера к датчикам и исполнительным механизмам

Модули ввода аналоговых сигналов SM 331 предназначены для аналого — цифрового преобразования входных аналоговых сигналов контроллера и формирования цифровых величин, используемых центральным процессором в процессе выполнения программы. К входам модулей могут подключаться датчики с унифицированными выходными электрическими сигналами напряжения или силы тока, термопары, термометры сопротивления. Каждая пара входных каналов модулей 6ES7331−7KB02−0AB0 и 6ES7331−7KF02−0AB0 может быть настроена на свой вид входного сигнала. Выбор вида входного сигнала (сила тока, напряжение, термо-ЭДС или сопротивление) производится аппаратно установкой кодового элемента в одно из четырех возможных положений. Выбор диапазона измерений каждого входа производится программно из среды STEP 7. Основные характеристики модулей SM 331 приведены в таблице 3:

Таблица 3 — Основные характеристики модулей SM 331

Модули ввода дискретных сигналов SM 321 предназначены для преобразования входных дискретных сигналов контроллера в его внутренние сигналы. Основные характеристики модулей SM 321 приведены в таблице 4:

Таблица 4 — Основные характеристики модулей SM 321

Модули вывода дискретных сигналов SM 322 предназначены для преобразования внутренних логических сигналов контроллера в его выходные дискретные сигналы. К выходам модулей могут подключаться исполнительные устройства или их коммутационные аппараты. Основные характеристики модулей SM 322 приведены в таблице 5:

Таблица 5 — Основные характеристики модулей SM 322

Заключение

При выполнении курсовой работы изучили принцип автоматизации и основные элементы при регулировании параметров на примере автоматизации установки для приготовления сиропа. Освоила методику выбора средств автоматизации, а также рассмотрела принцип действия некоторых из них. Ознакомилась с принципами построения современных систем автоматизации технологических процессов, реализованных на базе промышленных контроллеров и ЭВМ.

В ходе выполнения курсовой работы решила следующие задачи:

1) ознакомилась с методикой разработки функциональной схемы автоматизации технологических процессов на базе серийно выпускаемых приборов и промышленных контроллеров;

2)ознакомилась с характеристиками современных приборов и средств автоматизации;

3) изучила основные подходы к обоснованному выбору приборов и технических средств автоматизации;

4) изучила действующие стандарты и другие нормативные документы регламентирующие правила оформления технической документации по автоматизации технологических процессов.

Список использованных источников

1 Кожевников, М. М. Технические средства АСУТП для пищевой промышленности: справочное пособие для студентов технологических специальностей пищевой промышленности / М. М. Кожевников, В. И. Никулин. — Могилев: Ризограф УО МГУП, 2008. 67с.

2 Приборы и средства автоматизации для пищевой промышленности: справочное пособие для студентов технологических специальностей: в 2 ч. / В. И. Никулин, С. В. Богуслов, А. М. Прокопенко.- Могилев: Ризограф УО МГУП, 2008.-96с.

3 Общие требования и правила оформления учебных текстовых документов: СТП СМК 4.2.3−2011. — Введ. 2011;01−01. — Могилев.: УО «МГУП», 2011. — 43с.