II ВЫБОР СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

Проектируемая система автоматизации должна удовлетворять вполне определенным техническим требованиям. Обычно технические требования задаются в виде предельно допустимых значений характеристик : надежности, погрешности измерения, конструктивные особенности, отвечающие санитарно – гигиеническим требованиям, условия пожаро- и взрывобезопасности объекта, агрессивности окружающей среды, требования к быстродействию и дальности передачи сигналов информации и управления.

Одним из стратегических направлений развития и совершенствования средств автоматизации и систем управления становится использование микропроцессоров, встроенных микроконтроллеров, микроЭВМ.

В современной технике используется громадное число разнообразных

автоматических устройств и систем, отличающихся друг от друга физической природой, принципом действия, схемными и конструктивными решениями. Все

 

эти устройства и системы предназначены для решения лишь нескольких основных задач автоматизации, к которым относятся : сигнализация; контроль; защита и блокировка; пуск и остановка; управление.

Проектируемая система управления должна обеспечивать достижение цели управления в любых условиях, а также безопасность работы объекта; при этом она должна быть простой и надежной.

Основными автоматическими устройствами, поддерживающими требуемый технологический режим в объекте, являются регуляторы. Поэтому сначала целесообразно наметить регулируемые параметры процесса и каналы внесения регулирующих воздействий и только после этого приступать к выбору остальных параметров.

Выбрать из ряда параметров процесса те, которые следует регулировать, можно только при хорошем знании процесса. При этом определяют: целевое назначение процесса; взаимосвязь его с другими процессами производства; показатель эффективности и значение, на котором он должен поддерживаться; статические и динамические характеристики объекта.

Выбор контролируемых величин. При выборе контролируемых величин необходимо руководствоваться тем, чтобы при минимальном их числе обеспечивалось наиболее полное представление о процессе.

Контролю подлежат прежде всего те параметры, знание текущих значений которых облегчает пуск, наладку и ведение технологического процесса. К таким параметрам относятся все регулируемые величины, входные и выходные параметры, при изменении которых в объект могут поступать возмущающие воздействия.

Для осуществления оперативного управления возникает необходимость контроля наиболее важных выходных параметров процесса, например, количества полученного конечного продукта, его температуры и состава.

Для получения данных, необходимых для хозрасчетных операций и подсчета технико-экономических показателей, контролируют еще одну группу параметров, к которым относятся, например, количества потребляемой электроэнергии, тепло- и хладоносителей.

Выбор средств автоматизации. Средства автоматизации, с помощью которых будет осуществляться управление процессом, должны быть выбраны технически грамотно и экономически обоснованно.

Конкретные типы автоматических устройств выбирают с учетом особенностей объекта управления и принятой системы управления (местное или централизованное управление). В первую очередь принимают во внимание такие факторы, как пожаро- и взрывоопасность, агрессивность и токсичность сред, число параметров, участвующих в управлении, и их физико-химические свойства, а также требования к качеству контроля и регулирования.

В связи с тем, что большинство химических и пищевых производств

относится к числу пожаро- и взрывоопасных, автоматизация осуществляется на основе использования пневматических средств при централизованном

 

управлении. Применение пневматических приборов при прочих равных условиях обходится примерно на 30% дешевле, чем электрических, однако с увеличением длины пневматических трасс возрастают запаздывания при передаче показаний приборов, что приводит к ухудшению качества управления. При большом расстоянии между технологическими аппаратами и щитами управления целесообразнее применять электрические средства автоматизации. Они характеризуются гораздо меньшим запаздыванием и превосходят пневматические по точности измерения. Кроме того, применение электрических средств упрощает внедрение вычислительных машин.

Для автоматизации технологических аппаратов с агрессивными средами следует предусматривать установку специальных приборов в взрывозащищенном исполнении.

Для выпуска качественных продуктов питания с четко указанным допустимым сроком реализации необходимо применять оборудование, компоненты и измерительные системы, отвечающие санитарно – гигиеническим требованиям, а также обеспечивать проведение соответствующих процедур мойки.

Загрязнение может произойти из-за налипания на поверхности, скопления в трещинах, раковинах и «мертвых» зонах остатков технологического сырья и продуктов, а также вследствие бакосеменения ( т.е. попадания в рабочую зону микроорганизмов грибков, плесени, спор и т.д.). Кроме того, загрязняющие частицы могут попасть и извне.

Материалы, соприкасающиеся с продуктами, не должны менять свои

физикохимические свойства при контакте с пищевыми продуктами, моющими средствами, дезинфицирующими средствами (противомикробными препаратами).

Кроме того, материалы должны обладать коррозиоустойчивостью и механической стабильностью при воздействии высоких температур в присутствии агрессивных сред. Следует учитывать также санитарно – гигиенические нормы относящиеся к составу материалов используемых в пищевой промышленности.

В стерильных областях применяются специальные нержавеющие стали. Однако, благодаря устойчивости к коррозии могут использоваться высокопрочные, стойкие к механическому воздействию пластические материалы одобренные санитарным надзором.

Для облегчения процедуры мойки поверхности, соприкасающийся с продуктом, должны быть гладкими, без трещин, раковин и заусениц.

Необходимо выдерживать радиус закругления 3-6 мм.

Эластомеры и пластические материалы, используемые на участках технологического процесса, должны выдерживать процедуры «мойки на месте» и «стерилизации на месте».

Уплотнительные кольца могут применяться только в случае, когда выполняются следующие условия:

- область поверхности эластомера, соприкасающаяся с продуктом, имеет минимально возможную площадь;

 

- уплотнительные кольца, поверхность которых соприкасается с продуктом, должны быть съемными и заменяемыми;

- глубина пазов уплотнений не должна быть больше их ширины;

- применяющиеся уплотнительные кольца должны быть предварительно обжатыми.

Существует большое количество систем соединения – фланцевая, зажимная, резьбовая, стерильная. Стерильные резьбовые соединения начали применяться в фармацевтической, биохимической и косметической отраслях промышленности, а затем и в пищевой. Необходимо четко представлять, где будет выполнено соединение в стерильной или не стерильной областях технологического процесса.

К соединениям, выполняемым в стерильной области, предъявляются следующие требования:

- обязательно использование металлического стопора, обеспечивающего определенную степень сжатия;

- обязательного проведения центрирования во избежание осевого смещения;

- в области, где обеспечивается соединение, не должно быть зазоров, затрудняющих процедуры «мойки»;

- при установке уплотнения необходимо предусмотреть возможность его расширения при повышенной температуре с тем, чтобы не произошло соприкосновение с продуктом;

- простота сборки и разборки;

- соответствие стандартам санитарного надзора.

Достоинство стерильного присоединения заключается в том, что сварка производится по всей периферии стыкуемых поверхностей, в соединении отсутствуют зазоры и оно не боится процедур мойки и стерилизации.

По гигиеническим требованиям всю производственную зону, оснащенную средствами автоматизации, можно разделить на три области, в каждой из которых при любых обстоятельствах должно гарантироваться соответствующее качество технологического сырья и перерабатываемого продукта:

- зона контроля типового технологического процесса, где допустимо присутствие микроорганизмов и даже их рост, например, процесс сбраживания пива;

- зона контроля «гигиенического» технологического процесса, где допустимо увеличение микроорганизмов по сравнению с количеством микроорганизмов в продукте, например, в зоне приемки молока;

- зона стерильного технологического процесса, где недопустимо присутствие микроорганизмов, например, при стерилизации и разливе этого молока.

Исходя из гигиенических требований технологических процессов необходимо выполнить следующие рекомендации при выборе средств автоматизации:

1) часть датчика, которая погружается в анализируемую среду, должна обладать высокой прочностью и стойкостью к ударному воздействию, легко

 

собираться и заменяться, а также выдерживать процедуры « мойки на месте» и « стерилизации на месте»;

2) все жидкости, используемые в измерительных системах, например масло в датчиках давления, а также смазочные масла, должны соответствовать санитарным нормам, относящимся к пищевой промышленности;

3) на поверхностях недопустимо наличие царапин, раковин и зазоров. Углы и края должны иметь радиус закругления (> 3мм);

4) в зоне контакта с продуктом недолжны использоваться резьбовые соединения;

5) качество обработки поверхностей должно быть очень высоким;

6) конструкция должна «вписываться» в поток и не служить препятствием потоку;

7) поверхности должны быть «пассивными» не обладающими ни абсорбирующими, ни адсорбирующими свойствами;

8) расход следует поддерживать на постоянном уровне;

9) все измерительные устройства должны свободно удаляться;

10) все уплотнения должны быть подвергнуты предварительному обжатию;

11) должна обеспечиваться простота сборки и разборки конструкций;

12) недолжно быть утечек жидкостей и газов;

13) необходимо избегать несварных металлических соединений;

14) для соединения труб запрещается применение переходных штуцеров;

15) сварное соединение должно обеспечиваться по всей периферии стыкуемых поверхностей, а процедуру сварки следует производить в атмосфере защитного газа.

При выборе приборов и средств контроля и регулирования рекомендуется учитывать:

1) для чувствительных элементов – линейность и однозначность статической характеристики, чувствительность и инерционность, погрешность измерения, характер окружающей и контролируемой сред, наличие вибраций, магнитных и электрических полей в зоне установки датчиков, расстояние передачи выходного сигнала датчика;

2) для преобразователей – уровень и вид входного и выходного сигналов, класс точности и стоимость;

3) для вторичных приборов – класс точности, диапазон измерений, место установки, наличие специальных устройств и т.д.;

4) первоначально необходимо выбрать тип регулятора. Рекомендации по

выбору сводятся к следующим шагам:

при t₀/ τ ₀ >5 достаточно релейного регулятора;

при 0,2>Т₀/ τ₀ >5 можно применять импульсный регулятор;

при t₀/ τ ₀ >1 достаточно типового линейного регулятора (П-, ПИ- ,ПИД);

при t₀/ τ ₀ >1 необходим специальный регулятор компенсации запазды­вания.

Также при выборе закона регулирования важную роль играет относи­

 

тельное время регулирования. Пропорциональные П- регуляторы могут ис­пользоваться в случае, когда допустимы либо большое время регулирования, либо большая статическая ошибка.

ПИ- регуляторы могут использоваться при достаточно произвольных требованиях к установившейся ошибке, если время регулирования больше,

чем t_p=6 τ _o. Однако при больших т₀ динамическая ошибка может быть значи­тельной.

ПИД- регулятор используется при времени регулирования в пределах

t_p/ τ_o =4-6.

Аппаратуру управления систем автоматизации (контакторы, магнитные пускатели и электромагнитные реле) выбирают в зависимости от назначения и условий эксплуатации по следующим данным:

– род тока и напряжения цепей управления;

– коммутирующая способность, количество контактов;

– гарантированное количество срабатываний;

– быстродействие;

– число срабатываний в единицу времени;

– защита от воздействия внешней среды; конструктивные особенности; габариты и вес.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

 

 

Тема: Разработка функциональной схемы автоматизации процесса выпаривания. Выбор средств автоматизации.

 

Описание процесса

Выпариванием называется процесс концентрирования жидких растворов нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя при кипении жидкости. В процессе выпаривания парообразование происходит за счет подвода тепловой энергии. В химической и других отраслях промышленности выпариванию подвергают главным образом водные растворы. При больших количествах упариваемого раствора общая затрата тепловой энергии бывает очень велика и это вызывает необходимость изыскать способы ее экономичного расходования. Расход греющего пара снижается, если процесс проводят в многокорпусных выпарных установках. Схема многокорпусной установки, работающей при прямоточном движении пара и раствора, представлена на рисунке 1.

 

 

Исходный раствор, подлежащий выпариванию, из емкости 2 подается центробежным насосом 10 в подогреватель раствора 3. В этом аппарате раствор нагревают до температуры кипения и подают в первый корпус установки 4. Теплообменной поверхностью подогревателя являются трубы, обогреваемые со стороны межтрубного пространства насыщенным водяным паром. Раствор, находящийся внутри труб, кипит и частично выпаривается. Вторичный пар, поступающий сепарационное пространство аппарата, отделяется от брызг и поступает в межтрубное пространство аппарата 5 для выпаривания раствора в этом аппарате. Частично выпаренный в аппарате 4 раствор поступает самотеком в аппарат 5. Образовавшийся в межтрубном пространстве аппарата 4 конденсат через конденсатоотводчик удаляется из аппарата. Аналогично процессы выпаривания протекают в аппаратах 5 и 6. По мере прохождения из корпуса в корпус температура пара понижается, и из последнего корпуса пар выходит с низкими параметрами, поэтому его дальнейшее использование нецелесообразно. Из последнего корпуса 6 вторичный пар направляется в барометрический конденсатор 7, где, смешиваясь с водой, конденсируется и, пройдя барометрическую трубу (барометрический затвор) через барометрический ящик 9, в виде смеси конденсата и воды выбрасывается в канализацию.

Поскольку вместе с водой, подаваемой на охлаждение, в конденсатор поступает растворенный в воде атмосферный воздух, выделяющийся из раствора при нагревании, барометрический конденсатор соединяется с вакуум–насосом 8, откачивающим скапливающиеся не конденсирующиеся газы.

Выпаренный до заданной концентрации раствор откачивается из последнего корпуса 6 центробежным насосом 11 в емкость 1. В этой схеме благодаря уменьшению давления от корпуса к корпусу раствор перемещается самотеком и количестве перетекающего раствора регулируются установленными на трубопроводах регулирующими устройствами.