124124 (Расчет автоматизированной системы регулирования давления в камере взбивания)

Введение

Автоматизация производственных процессов является одним из ведущих направлений технического прогресса, важным фактором повышения эффективности и производительности труда, а также повышения качества выпускаемой продукции во всех сферах производства.

Автоматизация технологических процессов осуществляется путем внедрения систем контроля, регулирования и управления на базе комплекса технических средств общепромышленного и отраслевого назначения. В настоящее время накоплен уже значительный опыт автоматизации технологических процессов.

Широкому внедрению автоматизации в промышленности способствует наличие ряда предпосылок. В их числе непрерывность, поточность, комплексная механизация технологических процессов, большие объемы производства, серийный выпуск необходимых приборов и технических средств автоматизации.

Номенклатура приборов общепромышленного назначения претерпела значительные качественные и количественные изменения. Освоено серийное производство так называемой Государственной системы приборов, обладающей повышенной надежностью, унифицированными габаритными размерами и величинами выходных сигналов.

Применяют как автоматизированные системы, при которых часть функций управления возлагается на оперативный персонал, так и автоматические, когда функции управления выполняются только техническими средствами. Наиболее широко используют локальные автоматизированные системы, предназначенные для управления отдельными агрегатами.

Внедряют также автоматизированные централизованные системы, обеспечивающие управление работой группы технологического оборудования или технологическими процессами в целом.

Как показала практика, в результате автоматизации повышается производительность труда, снижаются потери сырья, обеспечивается выполнение требований как санитарно-гигиенических, так и техники безопасности.

Автоматизация технологических процессов позволяет выполнять отдельные операции без непосредственного участия человека. При индивидуальном ведении хозяйства важно использование принципиально новых автоматизированных систем управления микроЭВМ. Автоматизация технологического процесса обеспечивает сокращение доли тяжелого и малоквалифицированного физического труда, что ведет к повышению производительности, непременному экономическому росту.

1. Анализ существующей системы управления

1.1 Описание технологического процесса

Технологический процесс взбивания зефирной массы под давлением изображен на функциональной схеме.

В емкости Е – 1, Е – 2, Е – 3, Е – 4 и Е – 5 поступают рецептурные компоненты. В Е – 1 – яблочное пюре, Е – 2 – белок, Е – 3 – сахароагаровый сироп, в Е – 4 – кислота и краситель эссенцией, в Е – 5 – сахарный песок.

На каждой емкости установлены датчики уровня, а на выходе – датчики расхода. Компоненты из емкостей перекачиваются плунжерными насосами. Расход компонентов из емкости регулируются с помощью регулирующих клапанов 1–3, 2–3, 3–3, 4–3, 5–3, 6–3. В емкости Е – 6 готовится рецептурная смесь, в которую поступают все компоненты смеси. Готовая рецептурная смесь поступает из емкости Е – 6 через теплообменник Т-1 на котором установлены датчики температуры и давления, где смесь нагревается до 60ºС. Смесь насосом Н-6 перекачивается в камеру для взбивания зефирной массы СЭ-1. Камера представляет собой роторный центробежный смеситель-эмульсатор. В нем установлены датчики давления и температуры.

При этом в смесь вводится под давлением 0,4 МПа воздух, поступающий из ресивера.

1.2 Описание установки

Установка для взбивания состоит из разъемной взбивальной камеры и привода с вариатором. Внутри взбивальной камеры помещено два статора, один из которых неподвижно скреплен с корпусом, а второй – с крышкой камеры. На внутренней стороне каждого статора имеются зубья, расположенные шестнадцатью концентрическими рядами. Между зубьями статоров проходят зубья ротора; размеры зубьев выбраны такими, что образуется кольцевой канал извилистой формы шириной 1 мм. Рецептурная смесь вместе с воздухом, поступающим от компрессора под давлением 0,4 – 0,6 МПа, подается внутрь камеры. Ротор изготовлен из бронзы и имеет диаметр 348 мм. Внутренняя поверхность взбивальной камеры выполнена из нержавеющей стали, а статоры – из бронзы. Взбивальная камера снабжена рубашкой для водяного охлаждения. Пузырьки воздуха на выходе из камеры расширяются и таким образом происходит взбивание зефирной массы. Готовая масса по трубопроводу подается на отливку.

1.3 Постановка задачи

В специальной части данного курсового проекта будет произведен расчет автоматизированной системы регулирования давления в камере взбивания.

Для этого необходимо:

1. произвести анализ существующих систем управления;

2. разработать систему взбивания зефирной массы под давлением;

3. произвести необходимый выбор соответствующего промышленного оборудования;

4. построить автоматизированную систему регулирования давления.

2. Синтез АСУТП взбивания зефирной массы под давлением

2.1 Структурная схема АСУТП

Структурная схема АСУТП взбивания зефирной массы под давлением представлена на рисунке 2 и состоит из трех уровней.

Верхний уровень включает в себя персональный компьютер Р4 и SCADA-систему TRACE MODE. SCADA-система – это система диспетчерского управления и сбора данных, необходимая для визуализации и диспетчеризации технологического процесса. SCADA-система – это специальное программного обеспечение, обеспечивающее решение задачи ввода и вывода информации в системе АСУТП, отслеживание аварийных и предаварийных ситуаций, представление на пульт оператора графической информации о процессе, поддержании отчетов о выполнении технологического процесса.

К среднему уровню относится микропроцессорный контроллер Modicon Micro ПЛК TSX 37–05, предназначен для получения в реальном времени информации с датчика, для ее сравнения, преобразования и обмена с автоматизированным рабочим местом оператора, а также для передачи управляющих сигналов на исполнительный механизм.

Датчик и исполнительный механизм подключаются к Modicon Micro с помощью индивидуальных кабельных связей. Внутри контроллера сигналы обрабатываются в цифровой форме.

Нижний уровень состоит из исполнительного механизма и датчика.

Датчик используется для преобразования физических параметров технологического процесса в электрические сигналы с технологического объекта управления и поступающие на многофункциональный, микропроцессорный контроллер;

Исполнительный механизм преобразует и передает воздействие с микропроцессорного контроллера на технологический объект управления.

Рисунок 2.1 – Структурная схема АСУТП

2.2 Выбор датчиков

Малогабаритные датчики для измерения давления Метран-55

Предназначены для работы в различных отраслях промышленности, системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование измеряемых величин избыточного (ДИ), абсолютного (ДА) давления, разрежения (ДВ), давления-разрежения (ДИВ) нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал.

Преимущества датчиков:

– погрешность измерений ±0,15%;

– диапазон перенастройки 10:1;

– непрерывная самодиагностика;

– встроенный фильтр радиопомех;

– микропроцессорная электроника;

– возможность простой и удобной настройки параметров двумя кнопками.

Измеряемые среды: жидкость, пар, газ (в т.ч. газообразный кислород).

Диапазон измеряемых давлений:

– минимальный 0–0,06 МПа;

– максимальный 0–100 МПа.

Выходной сигнал: 4–20, 0–5, 0–20 мА.

Обновленный комплекс малогабаритных датчиков давления и уровня Метран-55 имеет следующий ряд уникальных потребительских свойств:

– широкая область применения датчиков в химии, фармацевтике, пищевой промышленности, теплоэнергетике;

– применение специальных материалов чувствительных элементов: керамика A1203, поливинилхлорид (PVC), поливинилденфторид (PVDF);

– большой выбор вариантов электрических и механических соединений;

– широкий диапазон измеряемых давлений минимальный 0–0,6 кПа; максимальный 0–220 МПа;

– погрешность измерений до ±0,1%;

– диапазон температур измеряемой среды от – 40°С до +300°С;

– выходной сигнал 4…20 мА, 0…20 мА, 0…10 В, 0…5 В, 0…1 В, 1…6 В;

– долговременная стабильность, менее 0,1% в год;

– высокая перегрузочная способность до 80 раз;

– индикаторное устройство с перенастраиваемым релейным выходом;

– степень защиты от воздействия пыли и воды IP 65÷68;

– искробезопасное исполнение: ЕхiaIIСТ4.

Прибор является простым и удобным в исполнении. Использование отечественного прибора серии Метран 55 уменьшит затраты на его установку, ремонт и эксплуатацию. Простота конструкции, надежность, малые габариты, невысокая стоимость обеспечивают повышенный спрос потребителей. Однако применение устройств этих серий не исключает и возможности применения приборов других фирм.

Преобразователи термоэлектрические ТХА Метран-231.

Сменная термометрическая вставка – термопарный кабель КТМС-ХА(ХК) ТУ 16–505.757–75.

Диапазон измеряемых температур: О…600°С.

Номинальная температура применения: 585°С.

Класс допуска: 2 по ГОСТ 8.585.

Рабочий спай: изолированный.

Материал головки: сплав АК12.

Стандартный ряд монтажных длин L: 80, 100, 120, 160, 200 мм.

Вид исполнения по ремонтопригодности:

– ремонтируемое изделие;

– неремонтируемое изделие.

Климатическое исполнение: У1.1 по ГОСТ 15150, но для значений температуры окружающего воздуха от -45° до 85°С; ТЗ по ГОСТ 15150, но для значений температуры окружающего воздуха от -10° до 85°С с относительной влажностью до 98% при температуре 35°С.

Масса: 1,25…3,6 кг в зависимости от длины монтажной части и исполнения.

2.3 Выбор исполнительного механизма

Регулирующие клапаны серии Emerson Process Management конструкции GX.

Рабочая среда: газ, пар, жидкости.

Диаметр условный DN: 25…100 мм (DIN), 1–4» (ANSI).

Давление условное PN: 1…4 МПа (DIN), класс 150 и 300 (ANSI).

Рабочая температура: от -29 (-46)°С до +232 (+371)°С.

Класс герметичности: IV, V или VI (ANSI).

Материал седла: сталь, сплавы.

Материал корпуса и крышки: сталь, сплавы.

Регулирующий клапан конструкции GX предназначен для управления потоком среды (регулирование или отсекание) и представляет собой односедельный клапан с направлением потока вверх, с ввинчиваемым седлом, с одним из трех типов трима (комплекта внутренних деталей): с направляющей по штоку, с направляющим седлом или с разгруженным плунжером.

2.4 Выбор контроллера

Программируемые логические контроллеры MICRO разработаны с учетом требований изготовителей комплектного оборудования, станков и агрегатов (OEM). Эти контроллеры позволяют решать самые разнообразные задачи, возникающие в этой области – ввод, обработку и формирование дискретных и аналоговых сигналов, PID – регулирование, позиционирование, быстрый счет, организацию диалога с оператором, сокращение времени реакции устройства управления на внешние воздействия и т.д. Возможно применение контроллеров MICRO для создания АСУТП с числом входов / выходов до 200…300. Контроллеры MICRO обладают развитыми сетевыми возможностями, что позволяет применять типовые сетевые решения на основе коммуникационных сетей с различными функциональными возможностями и ценовыми характеристиками.

При использовании контроллеров MICRO уменьшаются затраты на автоматизацию благодаря сокращению затрат времени и труда на программирование, отладку, и диагностирование алгоритмов управления (инструментальные средства PL7 MICRO), на монтажные работы (система TELEFAST), на эксплуатацию системы управления (оболочка PL7ProDyn). В руках технолога или программиста оказывается мощный инструмент разработки приложений на специализированных языках, рекомендованных МЭК (стандарт IEC1131–3) для использования в рассматриваемой предметной области.

Контроллер TSX Micro удобен для применения в малых системах, системах, призванных быть легко перемещаемыми, а также в ситуациях, где минимальное пространство требует максимальной компактности или когда условия окружающей среды требуют надежной работы.

Таблица 1 – Техническая характеристика Modicon Micro ПЛК TSX37–05

Технические характеристики дополнительных модулей аналогового в/в: