Текст книги "Разработка функциональных схем автоматизации технологических процессов"

Валиуллина В. А., Садофьев В. А.
Разработка функциональных схем автоматизации технологических процессов

ПРЕДИСЛОВИЕ

Цель данного издания – оказать помощь студентам СПО технологических специальностей 240125 «Технология производства и переработки пластических масс и эластомеров» и 260103 «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий» всех форм обучения при выполнении раздела «Автоматизация технологических процессов» дипломного проекта.

Пособие содержит:

– теоретические положения и конкретные примеры выполнения поставленной задачи автоматизации;

– вопросы проектирования систем автоматизации;

– требования к изображению технологического оборудования и коммуникаций, приборов и средств автоматизации;

– сведения о нормативных документах, используемых при проектировании систем автоматизации химико-технологических и других технологических процессов, а также принципы и правила построения ФСА;

– рекомендации по содержанию, разработке и оформлению раздела «Автоматизация технологических процессов» дипломного проекта по специальностям 240125 и 260103;

– требования к графической части и структурным элементам данного раздела пояснительной записки;

– вопросы проектирования систем автоматизации.

Используя данное пособие, студенты могут самостоятельно решать вопросы, связанные с проектированием систем автоматизации.

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе уровень развития химической промышленности определяется в основном степенью автоматизации производства. Система автоматического контроля, включающая в себя контрольно-измерительные приборы, позволяет оценивать состояние химико-технологического процесса, а с помощью введения системы автоматического управления удается повысить производительность труда и качество продукции. Кроме того, автоматизация химического производства позволяет улучшить санитарно-гигиенические условия работы, повысить социальную эффективность труда, уменьшить отрицательное воздействие на окружающую среду и улучшить экологическую обстановку.

Сегодня технологические процессы постоянно усложняются, а агрегаты, реализующие их, делаются все более мощными. Например, в энергетике действуют энергоблоки мощностью 1000-1500 МВт, установки первичной переработки нефти пропускают до 6 млн. т. сырья в год, работают доменные печи объемом 3.5-5 тыс. кубометров, создаются гибко перестраиваемые производственные системы в машиностроении.

Человек не может уследить за работой таких агрегатов и технологических комплексов, и тогда на помощь ему приходят автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП). В АСУТП за работой технологического комплекса следят многочисленные датчики-приборы, изменяющие параметры технологического процесса (например, температуру и толщину прокатываемого металлического листа), контролирующие состояние оборудования (температуру подшипников турбины) или определяющие состав исходных материалов и готового продукта. Таких приборов в одной системе может быть от нескольких десятков до нескольких тысяч.

В свою очередь, при разработке автоматизированной системы управления именно специалист-технолог определяет постановку задачи для специалиста по автоматике, определяет параметры процесса, которые необходимо поддерживать на нужном уровне, а также допуски на возможные отклонения в процессе управления, указывает возможные каналы управления.

Однако правильная постановка задачи на управление невозможна без необходимых знаний химика-технолога о структурах и функциях систем управления, основах их анализа и синтеза.

Основной целью проектирования являются:

• систематизация, закрепление и расширение теоретических знаний, полученных студентами при изучении курса "Автоматизация технологических процессов";

• получение практических навыков подхода к выбору автоматического регулятора и определению его параметров настройки, решения конкретных задач автоматизации производства на современном уровне достижения науки и техники;

• развитие творческого подхода к проектированию систем автоматизации технологических процессов.

Студенты при выполнении раздела «Автоматизация технологических процессов» дипломного проекта должны:

• уметь читать и составлять функциональные схемы автоматизации;

• правильно выбирать контролируемые и регулируемые параметры;

• приборы и средства автоматизации;

• знать их принцип действия и область применения.

Заданием предусматривается разработка функциональной схемы автоматизации технологического процесса, изучаемого в рамках специальностей 240125 и 260103, на уровне полной автоматизации при условии использования только серийно выпускаемых приборов и средств автоматизации.

Это обязывает студента изучать учебную и научнотехническую литературу, пользоваться стандартами и другими нормативными документами, периодическими изданиями и другими источниками, содержащими информацию о современных достижениях науки и техники в данной отрасли.

Важной частью задания является технически обоснованный выбор приборов и средств автоматизации, необходимых для построения функциональной схемы автоматизации.

Данным проектом завершается обучение студентов методам, приборам и средствам автоматического контроля и регулирования технологических процессов.

Данное учебное пособие состоит из предисловия, введения, четырех разделов, заключения, списка рекомендуемой литературы и приложения.

Раздел 1 посвящен разработке функциональной схемы автоматизации. Рассматривается назначение ФСА, общие принципы их разработки, условные обозначения приборов и средств автоматизации.

Раздел 2 содержит перечень обязательных материалов, которые должны входить в дипломный проект, а именно в раздел АТП дипломного проекта. Дано описание составления задания на проектирование системы автоматизации. Изложены требования, предъявляемые к оформлению ФСА. Приводятся рекомендации по составлению спецификации на приборы и средства автоматизации.

Раздел 3 посвящен использованию микропроцессорной техники и ЭВМ в автоматизации технологических процессов. Дана схема АСУТП. Приведен пример выполнения функциональной схемы автоматизации процесса литья под давлением (фрагмент).

В разделе 4 рассмотрено содержание пояснительной записки.

В заключении даны обобщающие выводы по проектированию функциональной схемы автоматизации с учетом особенностей планирования образовательного процесса в средних специальных учебных заведениях.

В приложении приведен список производителей и дистрибьюторов технических средств автоматизации.

1. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

1.1. Назначение функциональных схем

При проектировании систем автоматизации технологических процессов все технические решения по автоматизации агрегатов или отдельных участков технологического процесса отображаются на функциональных схемах автоматизации.

Функциональная схема автоматизации является основным техническим документом, который определяет структуру и функциональные связи между технологическим процессом, приборами, средствами контроля и управления и отражает характер автоматизации технологических процессов.

Схему выполняют в виде чертежа, на котором схематически, условными изображениями показывают технологическое оборудование, коммуникации и, согласно ГОСТ 21.404-85, первичные измерительные преобразователи и устройства, вторичные приборы и регуляторы, исполнительные механизмы, регулирующие органы, щиты и пульты, а также связи между технологическим оборудованием, приборами и средствами автоматизации.

При разработке функциональных схем автоматизации технологических процессов необходимо, чтобы схема автоматизации обеспечивала решение следующих основных задач:

• сбор и первичная обработка информации о процессе;

• контроль технико-экономических показателей процесса;

• представление информации диспетчеру;

• контроль состояния оборудования;

• контроль отклонений технологических параметров;

• программное и дистанционное управление;

• учет технологических параметров;

• учет технико-экономических показателей;

• учет состояния оборудования.

Эти задачи решаются на основании анализа условий работы технологического оборудования, выявленных законов и критериев управления объектом, а также требований, предъявляемых к точности стабилизации, контроля и регистрации технологических параметров, к качеству регулирования и надежности.

1.2. Общие принципы разработки функциональных схем автоматизации

Разработку функциональной схемы автоматизации процесса начинают с всестороннего анализа объекта управления. В ходе анализа должно быть установлено назначение, устройство, принцип работы автоматизируемого объекта и определены его входные, режимные и выходные параметры. Особое внимание необходимо уделить выявлению возмущающих воздействий и помех, чтобы устранить их действие, и возможных управляющих воздействий, изменением которых можно регулировать выходные и режимные параметры.

Функциональная схема автоматизации разрабатывается на уровне частичной, комплексной или полной автоматизации объекта управления. Для повышения надежности системы управления предусматривается возможность ведения технологического процесса как в режиме автоматического, так и ручного дистанционного управления и переключение режимов управления.

Управление объектом должно быть централизованным и осуществляться из операторских пунктов. На местных щитах контроля размешаются контрольно-измерительные и управляющие приборы, необходимые в период отладки и запуска технологического процесса. На щитах и пультах операторских пунктов размещают необходимые контрольно-измерительные приборы, по которым оператор наблюдает за ходом технологического процесса, автоматические регуляторы, изменением установок которых оператор управляет технологическим процессом, а также пуско-регулирующие приборы дистанционного управления (переключатели, кнопки управления, ручные задатчики и т.д.).

При разработке функциональных схем автоматизации необходимо руководствоваться следующими общими принципами [1, 2]:

1. В процессе разработки схем должны учитываться не только существующие требования технологических процессов, но и перспективы их модернизации и развития, а также особенности развития технических средств автоматизации и опыт их внедрения для того, чтобы при минимальных первичных затратах в дальнейшем без существенных переделок обеспечивалась бы возможность наращивания функций систем управления.

2. Уровень охвата технологического процесса системой автоматического управления в каждый период определяется целесообразностью внедрения определенного комплекса технических средств и достигнутым уровнем научно-технических разработок.

3. При проектировании систем автоматизации должна предусматриваться возможность поэтапной реализации системы – от локальной системы к полному комплексу, с возрастающей степенью охвата задач и функций управления.

4. При разработке схем кроме вопросов, связанных с построение систем автоматизации того или иного процесса, агрегата или участка, должны быть решены вопросы о взаимной связи этих систем с автоматизированной системой управления производством (АСУП). Выбор приборов и средств автоматизации должен производиться с учетом возможности их использования для обмена информацией с устройствами, входящими в комплекс АСУП.

5. Системы автоматизации технологических процессов должны строиться на базе серийно выпускаемых средств автоматизации и вычислительной техники.

6. В качестве локальных средств сбора и накопления первичной информации, вторичных приборов, регулирующих и, исполнительных устройств следует использовать преимущественно приборы и средства, доступные для приобретения.

7. В качестве технических средств централизованного сбора, передачи и обработки информации также должны использоваться агрегативные комплексы.

8. При построении схем автоматизации и выборе технических средств должны учитываться: вид и характер производственного процесса, условия пожаро– и взрывоопасности, агрессивность и токсичность окружающей среды и т. д.; параметры (температура и давление) и физико-химические свойства измеряемой среды; расстояния от мест установки датчиков, вспомогательных устройств, исполнительных механизмов, приводов машин и запорных органов до пунктов управления и контроля; требуемая точность и быстродействие контрольной и регулирующей аппаратуры.

9. Выбор аппаратуры автоматизации с точки зрения вспомогательной энергии (электрической, пневматической и гидравлический) определяется условиями пожаро– и взрывоопасности автоматизируемого объекта, агрессивности окружающей среды, требованиями к быстродействию, дальностью передачи сигналов информации и управления.

10. Следует выбирать аппаратуру с тем классом точности, который определяется действительными требованиями автоматизируемой установки. Обычно чем выше класс точности измерительной аппаратуры, тем более сложной является конструкция приборов и выше их стоимость.

11. Для наиболее ответственных узлов и систем автоматизации в проектах следует выполнять расчеты надежности для приближенной оценки ее соответствия требованиям.

12. Необходимо стремиться к применению однотипных средств автоматизации предпочтительно унифицированных систем, характеризуемых простотой сочетания, взаимозаменяемостью и удобством компановки на щитах управления. Использование однотипной аппаратуры дает значительные эксплуатационные преимущества как с точки зрения ее обслуживания, так и в отношении обеспечения запасными частями, ремонта, настройки.

13. Количество приборов, аппаратуры и сигнализации, сосредоточенной на оперативных щитах и пультах, должно быть ограничено. Избыток их усложняет эксплуатацию, отвлекает внимание операторов от наблюдения за основными приборами, определяющими ход технологического процесса; увеличивают стоимость установки, сроки монтажных и наладочных работ.

Приборы, не влияющие на ход технологического процесса и необходимые только для анализа работы объекта и составления технико-экономических расчетов, на лицевых панелях оперативных щитов и пультов управления устанавливать не следует.

Важное место в разработке управляющей системы отводится выбору сигнализируемых событий и противоаварийных мероприятий. Сигнализации подлежат все параметры, изменение которых может привести к аварии или серьезному нарушению технологического режима, наиболее ответственные режимные параметры, показатели эффективности. Сигнализация подразделяется на предупредительную и аварийную, световую и звуковую.

После разработки функциональной схемы автоматизации, необходимо провести ее полный анализ, описав работу операторатехнолога по управлению рассматриваемым технологическим процессом при пуске, номинальном режиме работы оборудования и изменении его производительности.

1.3. Выбор первичных преобразователей

При выборе первичных преобразователей и датчиков измеряемых величин необходимо руководствоваться следующими требованиями:

1. Условия в точке установки прибора должны соответствовать условиям его эксплуатации, указанным заводом-изготовителем.

2. Номинальное значение измеряемой величины должно лежать в последней трети шкалы прибора. При этом диапазон измерения прибора выбирается из стандартного ряда или из ряда, указанного заводом-изготовителем.

3. Прибор должен быть устойчив к повреждающим воздействиям измеряемой среды: абразивности, химической агрессивности и т.д.

4. Метрологические характеристики приборов должны обеспечить измерения с требуемой для данного процесса точностью, т.е. выбор прибора по диапазону показаний и классу точности должен быть обоснован [1].

Не допускается применение разнообразных методов измерения одного и того же параметра, что может привести к расширению номенклатуры приборов и затруднению организации их ремонта.

1.4. Изображение технологического оборудования и коммуникаций

Функциональная схема автоматизации должна развертываться слева направо.

Функциональную схему автоматизации выполняют развернутым способом, при котором на схеме показывают как объект автоматизации, так и состав комплекса технических измерительных средств каждого контура контроля, регулирования и сигнализации.

Технологические объекты изображает упрощенно, по контуру, но форма и пропорции отдельных частей должны соответствовать реальным прототипам. Если плоскостное изображение не отражает особенности устройства аппарата, то его вид приводят в аксонометрии или в разрезе. Схема вычерчивается без строгого соблюдения масштаба, но пропорции, соответствующие габаритам аппаратов, приборов должны выдерживаться.

Допускается, но не рекомендуется, изображение объектов управления в виде прямоугольников. Возможны также графические обозначения аппаратов и машин, построенные по их функциональным признакам и обозначения, отражающие принцип действия машин и аппаратов. Если при упрощенном изображении технологического оборудования невозможно получить ясное и полное представление об автоматизируемом объекте, то выбирают такое условное начертание технологического оборудования, которое дает достаточное представление о принципах его работы.

Около каждого аппарата и машины должно быть дано наименование или позиционное обозначение (арабскими цифрами). Соответствующее название аппарата или другого технологического оборудования вписываются в контур его изображения или располагается рядом, если его размеры недостаточны. Разрешается использовать и буквенно-цифровое обозначение аппарата, например Т3, Е-5, Н-8 (Т – теплообменник, Е – емкость, Н – насос). Цифровые и цифро-буквенные обозначения технологических аппаратов поясняются таблицей с перечнем оборудования (рис. 1), которая вычерчивается на свободном поле листа (рекомендуется размещать таблицу над основной надписью).

Рис. 1. Оформление таблицы с перечнем оборудования

Правильно построенная схема равномерно заполняет все поле листа элементами технологического оборудования, приборами и средствами автоматизации с минимальным количеством пересечений и перегибов линий, обозначающих трубопроводы и соединительные линии.

Трубопроводы на функциональных схемах изображают по ГОСТ 2.784-96 сплошной линией (линии всасывания, напора, слива) или прерывистой линией (линии управления, дренажа, выпуска воздуха, отвода конденсата). Толщина линий, обозначающих трубопроводы, составляет от 0,6 до 1,5 мм. Допускается использование цветных линий.

Коммуникации жидкости, газа и пара обозначают по ГОСТ 3464 —63 (таблица 1). Цифровое обозначение среды трубопровода может дополняться буквенными индексами, например: вода – 1, вода горячая – 1Г, вода холодная – 1X [3], или цифрами (см. Примечание к таблице 1). Для облегчения чтения схем на обозначениях трубопроводов проставляют стрелки, указывающие направление перемещения сред в виде стрелок (5×5×5).

Условные числовые обозначения трубопроводов проставляются через расстояние не менее 50 мм.

На свободном поле чертежа приводится условные обозначения и наименование среды трубопровода в виде таблицы (рис. 2).

Рис. 2. Оформление таблицы с обозначением среды трубопроводов

Для жидкостей, газов и других материалов, не предусмотренных ГОСТ 2.784-96, 3464 —63, допускается использовать другие цифры, но обязательно с необходимыми пояснениями новых условных обозначений на свободном поле чертежа.

Таблица 1

Условные цифровые обозначения трубопроводов для жидкостей и газов по ГОСТ 3464 —63

Примечание. В случае необходимости каждая из подгрупп может быть распределена на десять более мелких подразделений, обозначаемых третьим знаком цифрового обозначения (например, в укрупненной группе 4 «Газы горючие» в состав подгруппы 6 «Углеводороды и из производные этилен может быть выделен третьим знаком 4.61).

Соединения и пересечения трубопроводов изображают согласно ГОСТ 2.784-96 «Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические. Элементы трубопроводов» (таблица 2).

Таблица 2

Соединения и пересечения трубопроводов (ГОСТ 2.784-96)

На технологических коммуникациях показывают ту регулирующую и запорную арматуру, которая непосредственно участвует в контроле и управлении процессом, также запорные и регулирующие органы, которые необходимы для определения расположения мест отбора импульсов или для пояснения необходимости измерений. Некоторые условные обозначения трубопроводной арматуры согласно ГОСТ 2.785-96 «Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические. Арматура трубопроводная», приведены в таблице 3.

Таблица 3

Условные изображения трубопроводной арматуры (ГОСТ 2.785-96)

Примечание. * По данным [2]

Около изображения трубопроводов, по которому вещество поступает в данную технологическую схему, а также у изображения трубопроводов, по которому вещество уходит из данной схемы, делается соответствующая надпись, например, «Из цеха абсорбции», «От насоса», «На стадию полимеризации». Около изображения технологического оборудования, отдельных его элементов и трубопроводов следует давать соответствующие поясняющие надписи (наименование технологического оборудования, его номер и др.), а также указывать стрелками направление потоков. Отдельные установки технологического оборудования можно изображать оторвано друг от друга, но при этом следует давать необходимые указания на их взаимосвязь.