Автоматизация технологических процессов

1. Введение

Управление любым технологическим процессом или объектом в форме ручного или автоматического воздействия возможно лишь при наличии измерительной информации об отдельных параметрах, характеризующих процесс или состояние объекта. Параметры эти весьма своеобразны. К ним относятся электрические (сила тока, напряжение, сопротивление, мощность и другие), механические (сила, момент силы, скорость) и технологические (температура, давление, расход, уровень и другие) параметры, а также параметры характеризующие свойства и состав веществ (плотность, вязкость, электрическая проводимость, оптические характеристики, количество вещества и т.д.). Измерения параметров осуществляется с помощью самых разнообразных технических средств, обладающих нормированными метрологическими свойствами. Технологические измерения и измерительные приборы используются при управлении (ручном или автоматическом) многими технологическими процессами в различных отраслях народного хозяйства.

Средства измерений играют важную роль при построении современных автоматических систем регулирования отдельных технологических параметров и процессов (АСР) и особо автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), которые требуют представления большого количества необходимой измерительной информации в форме, удобной для сбора, дальнейшего преобразования, обработки и представления ее, а в ряде случаев для дистанционной передачие в выше ниже стоящие уровни иерархической структуры управления различными производствами.

В основе измерений параметров и физических величин лежат различные физические явления и закономерности. Измерительные схемы с использованием современных достижений микроэлектронной техники: микропроцессорных схем, твердых или полупроводниковых электрохимических элементов и другие.

2. Краткое описание технологического процесса

В свеклоперерабатывающем отделении осуществляется извлечение сахара из растительного сырья. Сахарную свеклу, поступающую из моечного отделения, измельчают в стружку с помощью свеклорезок и падают в диффузионный аппарат. Здесь в процессе взаимодействия свекольной стружки с водой, сахар вымывается из стружки и переходит в воду. Полученный сахарный раствор, называемый диффузионным соком, откачивают насосами на дальнейшую переработку. Обессахаренная стружка, называемая жомом, удаляется из аппарата. Отжатая из жома вода, называется жомопрессовой водой, возвращается в аппарат.

В свеклоперерабатывающем отделении кроме диффузионного аппарата размещено различное вспомогательное оборудование: аппараты для подготовки и подаче воды, свеклорезки, подогреватели, сборник диффузионного сока, транспортеры и другое. Диффузионные аппараты являются основным оборудованием, определяющим работу всего свеклоперерабатывающего отделения.

Эффективность работы диффузионного аппарата характеризуется выходными параметрами, к которым относятся содержание сахара в диффузионном соке и удаленном и удаленном из аппарата жомом. Характер протекания процесса обессахаривания, распределения концентрации сахара в различных тыках аппарата и следовательно, выходные параметры зависят от многих факторов.

К ним относятся: расход свекольной стружки и воды, их качество и температура, расход греющего аппарата, частота вращения транспортирующих органов, удельная нагрузка аппаратов, уровень и температура сокостужной смеси и ряд других, влияние которых трудно учесть.

Для обеспечения наилучших условий протекания процесса извлечения сахара важное значение имеет: автоматическое дозирование воды подаваемое в аппарат, автоматическое управления нагревом сокостужной смеси и загрузкой аппарата. Недостаток воды привод к повышенному содержанию сахара в жоме, а избыток – к разжижжению диффузионного сока. При недогреве циркулирующего сока и сокостужной смеси значительное время затрачивается на ошпаривание, а время и скорость активной диффузии сокращается. При перегреве значительно уменьшается качество диффузионного сока, затрудняется перемещение стружки и протекание воды. Недогрузка или перегрузка аппарата стружкой вызывает плохое смывание стружки соком. Время активной диффузии и производительности аппарата определяются продолжительность контакта свекольной стружки с соком и условиями ее перемещения. В процессе диффузирования указанные параметры можно косвенно измерить по уровню сокостружечной смеси и нагрузки электродвигателей привода волов.

На основании рассмотренных особенностей функционирования диффузионных аппаратов можно сформулировать основные требования к их автоматизации.

3. Описание схемы автоматизации с обоснованием выбора приборов и технических средств

По каналу автоматического регулирования концентрации диффузионного сока в наклонном диффузионном аппарате расстояние между тыкой измерения выходной величины и тыкой введения регулирующего воздействия – изменение расхода воды составляет почти 20 минут. В результате этого время чистового запаздывания определяемого временем преодолением водой указанного расстояния, заполненного движущейся навстречу ей стружке, достигает 20-ти минут, а постоянная времени объекта по этому каналу превышает 20 минут. Эффективное автоматическое регулирование объектов с неблагоприятными динамическими свойствами возможно лишь путем построения многоконтурных систем регулирования с использованием дополнительной оперативной информации о ходе процесса обессахаривания стружки.

Производительность диффузионных аппаратов и полнота извлечения сахара из стружки в значительной степени определяются скоростью перемещения стружки и ее массой, приходящейся на единицу объема корпуса, называемой удельной нагрузкой. Непосредственное регулирование этих параметров, т.е. скорости перемещения стружки и удельной нагрузки, в настоящее время не представляется возможным из-за отсутствия измерительных приборов, поэтому для стабилизации принимают косвенные способы. Удельную нагрузку оценивают по величине тока электродвигателя приводов транспортирующих органов и регулируют путем изменения частоты их вращения или расхода свекловичной стружки. Время чистого запаздывания и инерционность наклонного диффузионного аппарату по каналу регулирования удельной нагрузки соразмерной с их значениями в канале стабилизации концентрации диффузионного сока.

Задача поддержания температурного режима осложняется большой массой обогреваемой сокостружечной смеси. Чистое запаздывание здесь составляет 10-15 минут, а постоянная времени до 30 минут. На входе объекта часто возникают глубокие возмущения по расходу стружки.

Рассмотрим схему автоматизации ротационного диффузионного аппарата А1-ПДС-20.

Автоматическое регулирование удельной нагрузки аппарата осуществляются путем изменения частоты вращения, а следовательно, и производительности одной из свеклорезок. Величина удельной нагрузки аппарата характеризуется МОКом электродвигателей хвостовых половин транспортирующих шнеков. Токи электродвигателей измеряются с помощью калиброванных пунктов 2б и 2в типа 75 ШС автоматическими потемциометсекциями, которые с достаточной для практики точностью можно представить как объекты с сосредоточенными параметрами. К каждой из секций подводится греющий пар. Температуру сокоструйной смеси регулируют обособленно в каждой из первых пяти секций путем воздействия на расход греющего пара.

Датчиками температуры служат медные термометры сопротивления 8а, 9а, 10а, 11а и 12а типа ТСМ-50Н. Вторичные приборы – автоматические мосты 8б, 9б, 10б, 11б и 12б типа КСМ-3 воспринимают сигнал об изменении температуры в соответствующих секциях аппарата и преобразуют их с помощью встроенных пневматических пропорционально-интегральных регулирующих блоков. Под действием выходных сигналов регулирующих блоков клапаны 8д, 9д, 10д, 11д и 12д типа 25430 НЖ изменяют расход пара, подводимого соответственно к пятой, четвертой, третьей, второй и первой секциям. Позициометры 8г, 9г, 10г, 11г и 12г типа ПР10-100 увеличивают быстродействие и определяют статические характеристики регулирующих клапанов.

Необходимая продолжительность контакта свекольной стружки с соком достигается путем автоматической стабилизации уровня сока в головной части наклонного диффузионного аппарата. Уровень измеряется пьезометрическим способом с помощью дифемонометра 7е типа ДС-П. Пневматический сигнал, характеризующий уровень сока, поступает от датчика 7е на вторичный прибор 7з типа ПВ10.1Э и статический регулирующий блок 7и типа ПР 2.8. Применение пропорционального закона регулирования обусловлено динамическими свойствами объекта, который по каналу «расход сока-уровень» является интегрирующим звеном. Регулирующее воздействие-изменение расхода диффузионного сока, отбираемого из аппарата, вводится с помощью регулирующего клапана 7я типа 25ч30НЖ, установленного на трубопроводе откачки диффузионного сока.

4. СВОДНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ НА ВЫБРАННЫЕ ПРИБОРЫ

5. Специальное задание шифр: 707-хт-97-расход

Для измерения расхода и количества жидкости, пара, газа в отрасли в основном используют общепромышленные приборы.

Счетчики. Это приборы, предназначенные для количественного отделения массы или объема вещества, прошедшего через счетчик. По принципу действия они делятся на объемные и скоростные. В молочно промышленности наибольшее распространение получили объемные счетчики, принцип действия которых на том, что измеряемое количество молока, заполняя некоторый объем (измерительную камеру), вытесняется вращающимся рабочим органом (шестернями), соединенным со счетным механизмом. В зависимости, характеризующую работу объемных счетчиков описывается уравнением V=nV.

В корпусе счетчика (рис.1) установлены две овальные шестерни, вращающиеся под давлением жидкости, поступающей во входную часть камеры. При повороте шестерни отмеренный в сердцеобразном пространстве объем молока вытесняется из камеры. За один полный оборот овальных шестерен через счетчик вытесняется четыре объема жидкости, равных объему серпообразного пространства. Одна из шестерен соединена со счетным механизмом, а так как частота вращения шестерен зависит от количества протекающей жидкости, то счетное устройство регистрирует измеренное количество.

Расходомеры. Приборы для определения расхода, т.е. измеряющие количество вещества, протекающего через данное сечение трубопровода за известный интервал времени, называющийся расходомерами. С их помощью измеряемый массовый (кг/с) или объемный расход (м3/с) жидкости или газа. По принципу действия различают расходомеры переменного перепада давления и постоянного перепада давления.

Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия расходомеров основан на том, что если в трубопроводе, по которому протекает вещество, устанавливают устройство, создающее местное сужение потока, то вследствие перехода части потенциальной энергии давление в кинетическую среднюю скорость потока в суженном сечении повышается, в результате чего статическое давление в этом сечении становится меньше статического давления перед сужающим устройством.

Разность давлений (перепад давления) тем больше чем больше расход вещества. Следовательно, перепад давления может служить мерой расхода вещества.

В измерительной техники в качестве служащих устройств используют диафрагмы и сопла. Наиболее широкое применение нашла стандартная диафрагма, представляющая собой тонкий диск с отверстием круглого сечения (рис.2).

При протекании жидкости по трубопроводу сужение потока начинается по диафрагме, а на некотором расстоянии после нее действием сил инерции сечение потока становится минимальным. Далее поток постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения, на которые затрачивается часть энергии, вследствие чего наблюдается потеря давления.

Рассмотрим поток жидкости, проходящий через диафрагму. Выделим два сечения (рис.3): сечение 1-1, в котором отсутствует влияние сужающего устройства на характер потока и сечение II-II, в котором наблюдается сжатие струи.

Зависимость между расходом жидкости и перепадом давления можно установить, пользуясь уравнением Бернулли и уравнением неразрывности струи. Для двух сечений потока Iи II горизонтального трубопровода при условии, что трение отсутствует, уравнение имеющее следующий вид:

P11/P1 + V12/2 = P21/P2 + V22/2; P1V1S1 = P2V2S2

Плотность жидкости, проходящей через сужающее устройство, практически можно считать неизменным (Р1 = Р2 = Р), следовательно,

P11-P2=P/2(V22-V12) и V1S1 = V2S2

Наибольшее распространение в отрасли получила стандартная диафрагма.

Стандартная диафрагма может применятся для измерения расхода в трубопроводах диаметром более 50 мм при условии, что относительная площадь сужающего устройства лежит в интервале 0,05<=m<=0,7.

Сужающие устройства применяют в комплекте с дифференциальными манометрами. Их соединяют с помощью двух трубок, внутренние диаметры которых составляет не менее 8мм. Внутренний диаметр трубок, соединяющих кольцевые камеры или отдельные отверстия сужающего устройства с уравнительными или разделительными сосудами; должен быть не менее 12 мм.

Расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры). Принцип действия ротаметров лежит вертикальное перемещение чувствительного элемента (поплавка) под действием потока среды (рис.4). В этих приборах в следствии изменения проходного сечения (расстояние между поплавком и внутренней стенкой конической трубки) разность давлений на поплавок (перепад давлений) в момент равновесия остается величиной постоянной. Таким образом, положение поплавка относительно шкалы ротаметра является мерой расхода. При вертикальном перемещении поплавка момент равновесия наступает тогда, когда силы, действующие на поплавок сверху вниз (сила тяжести Fm и сила от действия потока на верхнюю плоскость поплавка Fпв) и снизу вверх (сила действия потока на нижнюю часть поплавка Fпи и сила трения потока о поплавки Fтр), уравновешиваются, т.е. когда Fm + Fпв = Fпи +Fтр, положение у поплавка соответствует определенная величина расхода. После выражения сил, действующих на поплавок, через физические параметры поплавка и среды, а также геометрические размеры поплавка и площадь сечения струя уравнения объемного расхода жидкости при определенном положении поплавка имеет вид:

Qo = Sk √ 2gVn(Pn-P)

PSn

где Qо – объемный расход измеряемой среды, м3/с;

 – коэффициент расхода;

Sk – площадь сечения струи, образованного телом поплавка и внутренней стенкой конической трубки, м3;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

Pn – плотность материала, из которого изготовлен поплавок, кг/м3;

Vn – объем поплавка, м3;

Р – плотность измеряемой среды, кг,м3;

Sn – площадь сечения верхней части поплавка, м2.

Коэффициент расхода  зависит от конусности трубки, неравномерности в распределении скоростей в кольцевом сечении, потерь на местные сопротивления внутри прибора, геометрической формы и размеров поплавка и прочее.

Ротаметры изготавливают со стеклянными и металлическими трубками, последние снабжаются измерительными преобразователями сигналов и работают в комплекте с измерительными приборами.

Наибольшее распространение получили ротаметры для местного измерения расхода жидкости. Это стеклянная коническая трубка, зажатая между патрубками с фланцами. Патрубки соединены посредством стоек арматуры (тягами), которые являются ребрами жесткости. Внутри трубки имеется поплавок, перемещающейся под действием жидкости или газа потока. Поплавок плавно перемещается за счет вращательного движения и устанавливается в середине потока. Внутри нижнего патрубка имеется седло, на которое опускается поплавок при отсутствии расхода. Верхний патрубок имеет ограниченность хода. Шкала ротаметра наносится непосредственно на стеклянную трубку. Указателем расхода у таких ротаметров служит верхнее горизонтальная плоскость поплавка.

В технологических схемах пищевых производств широко используются трубопроводы, по которым подаются жидкости, газы, проводы и сборники. Трубопроводы и сборники являются весьма распространенными объектами регулирования при автоматизации пищевых производств.

На (рис.5) приведена АСР расход газа, жидкости или пара. Объектом регулирования здесь является участок трубопровода между датчиком расхода 1а и регулирующим клапаном. Инерционность этого объекта очень мала, и его с точки зрения автоматизации можно считать усилительным звеном.

В целом динамическая характеристика будет определятся только динамическими свойствами датчика расхода и регулирующего органа. Возмущающим воздействием является интенсивность потока.

В АСР сигнал от датчика расхода 1а поступает на показывающий самопишущий регулятор. Регулирующее воздействие через панель дистанционного управления 1в изменяется посредством мембрального исполнительного механизма 1г положение регулирующего клапана. Байпасная панель 1в позволяет переходить с автоматического управления на ручное и обратно. Применение пропорционально – интегрально закона регулирования обеспечивает астатический процесс регулирования, т.е. процесс без остаточного отклонения.

АСР расхода сыпучего продукта показана на (рис.6 ). Объектом регулирования является ленточный транспортер массоизмерительного датчика, движущегося с заданной скоростью. На транспортере в каждый момент времени должно находится заданное количество продуктов. Динамическая характеристика объекта регулирующего органа в бункере продукта – показания массоизмерительного датчика и описывается в общем случае интегрирующем звеном с чистым запаздыванием. Возмущающим воздействием является изменение расхода продукта, поступающего на ленту из бункера.

В соответствии со схемой регулирования массоизмерительный датчик 1а ленточного транспортера передает сигнал на показывающий и самопишущий регулятор 1б. Регулирующие воздействие через байпасную панель дистанционного управления 1в передается на исполнительный механизм 1г, который изменяет степень открытия регулирующего органа подачи продукта из бункера на транспортер. Изобарный закон регулирования обеспечивает устойчивое регулирование объекта без статической ошибки.

При реализации многих технологических процессов пищевых производств является соотношение расходов материалов или продуктов. При этом характеристики объектов регулирования аналогичны рассмотренным ранее объектам регулирования расходов. Однако схема реализации АСР изменяется.

Список литературы

1. «Автоматизация технологически процессов пищевых производств». Под редакцией профессора Е.Б. Карнина. – М. «Пищевая промышленность» 1997г.

2. Нудлер Г.И., Тульчик И.К, «Основы автоматизации производства». – М «Высшая школа» 1976г.

3. Исаакович Р.Я. «Технологические измерения и приборы». – М: «Недра» 1979г.