Автоматизация колонны для очистки сульфатной кислоты

Kursova robota.docx

TOC o "1-3" h z u Вступ PAGEREF _Toc437985826 h 3
Аналіз технологічного процесу як об'єкта керування PAGEREF _Toc437985827 h 4
1.Опис об’єкта управління PAGEREF _Toc437985828 h 4
2. Коротка характеристика технологічного процесу PAGEREF _Toc437985829 h 9
3. Технологічний процес як об'єкт автоматизації PAGEREF _Toc437985830 h 10
Вибір основних задач керування і регулювання PAGEREF _Toc437985831 h 12
1. Визначення функціональних ознак системи автоматизації PAGEREF _Toc437985832 h 12
2. Специфікація на технічні засоби автоматизації PAGEREF _Toc437985833 h 13
Розробка математичної моделі. Моделювання в Matlab PAGEREF _Toc437985834 h 14
1. Вибір та обрунтування типу перехідного процесу PAGEREF _Toc437985835 h 14
2. Визначення закону регулювання PAGEREF _Toc437985836 h 14
3. Розрахунок оптимальних параметрів регулятора PAGEREF _Toc437985837 h 14
Розробка програмного забезпечення PAGEREF _Toc437985838 h 16
Розробка другого рівня системи контролю та керування PAGEREF _Toc437985839 h 22
Висновок PAGEREF _Toc437985840 h 23
Список використаної літератури PAGEREF _Toc437985841 h 24
Додаток А PAGEREF _Toc437985842 h 25
З науково-технічним прогресом зростає потужність виробництв та їх інтенсифікація. Все це вимагає впровадження автоматичних систем регулювання. Автоматичне регулювання технологічних процесів дозволяє отримати високу продуктивність при малих виробничих затратах високої якості продуктів забезпечує зниження енерговитрат економії енергії зменшує негативний вплив на навколишнє середовище.
Автоматизація технологічних процесів на сучасному етапі пропонує широке впровадження обчислювальної техніки в системи управління які повинні вирішувати основні задачі технологічного обладнання допоміжних операцій контролю аналізу і управління технологічними процесами на основі математичних методів та застосування ЕОМ автоматизації проектування автоматизованих процесів.
Створення сучасних систем управління базується на розробці та застосуванні адаптивних інтелектуальних систем функціонування яких неможливо без використання розвинутої обчислювальної мережі що включає персональні комп’ютери (ПК) мікроконтролери та широкий набір модулів вводувиводу. Ускладнення технологічних процесів і виробництв ставить завдання створення розподілених ієрархічних систем (АСУТП) та їх наскрізного програмування що пояснює появу нових комп'ютерних технологій для інтегрованих систем які об'єднують всі рівні виробництва
Мета даної курсової роботи – одержання знань і навичок проектування і оптимізації автоматизованих систем управління технологічними процесами.
В курсовій роботі передбачається ознайомлення з технологічним процесом очищення сульфатної кислоти на прикладі колони очистки K-212.
Аналіз технологічного процесу як об'єкта керування
1.Опис об’єкта управління
Характеристика сульфатно-кислотного виробництва його стадії і технологічну схему будову й роботу основних апаратів; складати рівняння хімічних реакцій що лежать в основі кожної стадії виробництва;
Сульфатна кислота за різноманітністю й обсягом застосування належить до найважливіших продуктів хімічного виробництва. Багато галузей промисловості потребують сульфатної кислоти.
Користуючись рис. а пригадайте яке застосування має сульфатна кислота.
Рис. а. Схема застосування сульфатної кислоти
Сировина. Для виробництва сульфатної кислоти використовують різні сульфуровмісні речовини. Це можуть бути як природні матеріали так і відходи інших виробництв а також газуваті продукти випалювання сульфідів кольорових металів (рис. б).
Рис. б. Схема сировини для виробництва сульфатної кислоти
Нині найчастіше використовують залізний колчедан — поширену природну мінеральну сировину. Крім того він містить від 40 до 50 % Сульфуру решта — домішки сполук Кобальту Ніколу Арсену Селену Купруму Цинку тощо. Це означає що руду потрібно переробляти комплексно без відходів а отже значно зменшити вартість сульфатної кислоти.
Запаси самородної сірки у природі невеликі. Однак з погляду сучасних вимог щодо підвищення ефективності виробництва сульфатної кислоти й охорони довкілля самородна сірка — один із найкращих видів природної сировини. Внаслідок її спалювання добувають газ з великим вмістом сульфур(V) оксидуSO2який практично не потребує спеціального очищення. Це має велике значення для контактного способу добування сульфатної кислоти тому використання саме цієї сировини збільшується.
Проте найдешевшу сульфатну кислоту виробляють на заводах що використовують відходи інших виробництв як сировину — коксохімічних нафтопереробних кольорової металургії. Ефективність такої сировини очевидна ще й тому що її використання дає змогу зменшувати викиди в атмосферу речовин які згубно впливають на рослини тварин і людей.
Отже як сировину в основному використовують піритFeS2.З нього добувають сульфур діоксидSO2далі — сульфур триоксидSO3і нарешті сульфатну кислоту. Ці перетворення й відображають три стадії виробництва сульфатної кислоти.
Перша стадія — добування сульфур діоксиду випалюванням піритуFeS2. Процес починається за температури 400 °С а далі — за рахунок виділеної під час реакції теплоти:
Реакція випалювання залізного колчедану є необоротною екзотермічною гетерогенною некаталітичною.
У піч для випалювання надходить піритFeS2.Але він може утворити спечений щільний шар і реакція загальмується. Тому в піч знизу вдувається повітря (рис. в). Шар піриту розпушується (його називають «киплячим шаром») швидкість реакції зростає оскільки всередині відбувається інтенсивне перемішування твердого реагенту з киснем. Температура в печі сягає 800 °С. Надлишок теплоти реакції відводиться (за принципом теплообміну).
Рис.в. Схема виробництва сульфатної кислоти
Друга стадія — окиснення сульфур діоксиду:
Реакція окиснення сульфур діоксиду є оборотною екзотермічною гетерогенно-каталітичною.
Відхідний газ отриманий на першій стадії потрапляє з печі у циклон потім — в електрофільтр де очищується від пилу. Далі його промивають водою і концентрованою сульфатною кислотою щоб очистити від каталітичної отрути. Промивання ведуть протитечією при цьому газ охолоджується. Тому перед окисненням газSO2нагрівають у теплообмінниках. Очищений і підігрітий газ потрапляє в контактний апарат. Тут він контактує з каталізатором розміщеним шарами на спеціальних решітках.
У процесі окиснення виділяється велика кількість теплоти яка відводиться на теплообмінники де підігрівається газ що надходить. Це дає змогу заощаджувати паливо й водночас підтримувати оптимальну температуру процесу окиснення.
Третя стадія — утворення сульфатної кислоти:
SO3 + Н2О = Н2SО4 Н = -132 кДж
Реакція утворення сульфатної кислоти є необоротною екзотермічною гетерогенною.
Поглинання сульфур триоксиду здійснюється не чистою водою а концентрованим розчином сульфатної кислоти з масовою часткою води 002 — 20 %. У цьому випадку теплота що виділяється йде на нагрівання кислоти. ї температура лише трохи підвищується тому кислота не випаровується і туману не утворює.
Цей процес відбувається у поглинальній башті — абсорбері — за принципом протитечії. Для збільшення площі поверхні зіткнення газу й рідини башту наповнюють насадкою з порцелянових кілець які зрошуються сульфатною кислотою. Саме на поверхні кілець відбувається абсорбція сульфур(V) оксиду плівкою концентрованого розчину кислоти.
Під час тривалого насичення газуватимSO3 сульфатної кислоти утворюється олеум що містить 100 %-ву сульфатну кислоту в якій розчинений надлишковийSO3.
Олеум — димляча оліїста рідина що є розчиномSO3 у безводній сульфатній кислоті. При розбавлянні водою одержують чисту сульфатну кислоту або її концентрований розчин — кінцеві продукти виробництва.
Сульфатна кислота має важливе значення для багатьох галузей народного господарства.
Сировиною для виробництва сульфатної кислоти можуть бути як природні матеріали (залізний колчедан самородна сірка) так і відходи інших виробництв (сірководень — як складова відходів коксохімічних і нафтопереробних заводів газуваті продукти випалювання сульфідних руд кольорових металів — як відходи кольорової металургії).
Виробництво сульфатної кислоти поділяється на три стадії: добування сульфур діоксиду окиснення його і утворення сульфатної кислоти.
В основу технологічної схеми виробництва покладено наукові принципи хімічної технології: вибір сировини та її повне і комплексне використання; створення оптимальних умов для проведення хімічних реакцій протитечія і теплообмін; збільшення площі поверхні зіткнення реагентів; безперервність процесу; захист довкілля і здоров’я людини.
Рис.г. Схема колони для очистки сульфатної кислоти
Колона очистки K-212 з гумованої сталі місткістю 20 м3 заповнена активованим вугіллям типу NOPIT R-08 яке завантажується в колону масою 8 тон. В колоні вугілля знаходиться між двома колосниковими решітками. В колону подається кислота і кисень очищена кислота перетікає в збірник об’ємом 25 м3. Кислота із збірника потрапляє до фільтра F-211.
2. Коротка характеристика технологічного процесу
Основним вихідним параметром технологічного процесу є витрата очищеної сульфатної кислоти. Так як очищена сульфатна кислота збирається в збірнику то передбачено регулювання рівня кислоти в даному збірнику. Регулювання рівня здійснюється за рахунок зміни витрати очищеної сульфатної кислоти що відводиться до фільтра F-211. Також передбачено сигналізацію рівня сульфатної кислоти та тиску на нагнітальній лінії насоса.
3. Технологічний процес як об'єкт автоматизації
При розробці проекту автоматизації колони для очистки H2SO4 складають принципову технологічну схему і функціональну схему її автоматизації.
На схемі показане усе обладнання даної системи основні пристрої; показано в таких точках і які параметри змінюються і контролюються які використовуються датчики і прилади і де вони встановлюються які прийняті способи передачі інформації типи регулюючих органів. В результаті дана схема дає наглядне представлення про технологічний процес обладнання і режим роботи даної системи вцілому. Умовно зображенні щити (пульти) управління із встановленою на них апаратурою вимірювання контролю регулювання і сигналізації.
Схема автоматизації повинна забезпечити всі вимоги і функції які передбачені в технологічній карті. Функціональна схема систем автоматизації технологічних процесів є документом що показує функціональну і блокову структуру систем автоматизації технологічних процесів а також оснащення об’єкта керування приладами і засобами автоматизації. На функціональній схемі дано спрощене зображення агрегатів що підлягають автоматизації а також приладів засобів автоматизації і керування які зображенні умовними позначеннями за діючими стандартами а також лінії зв'язку між ними.
ФСА колони для очистки H2SO4 зображена на рисунку 1.
Рис. 1. ФСА колони для очистки H2SO4
Схема автоматизації регулювання і контролю параметрів колони для очистки H2SO4 передбачає:
) вимірювання витрати сірчаної кислоти (5÷28) м3год;
) вимірювання тиску кисню (50÷60) кПа;
) вимірювання витрати кисню (2÷5) м3год;
) вимірювання тиску в колоні (0÷20) кПа;
) регулювання рівня кислоти в збірнику 50±5% за рахунок зміни відбору кислоти до фільтра F-211;
) вимірювання тиску на нагнітальній лінії насоса не менше 03 МПа.
Вибір основних задач керування і регулювання
Контури регулювання:
- тиску на нагнітальній лінії насоса
- рівня кислоти в збірнику.
Контури індикації та реєстрації:
- витрати сірчаної кислоти;
- тиску на нагнітальній лінії насоса.
Контури сигналізації:
1. Визначення функціональних ознак системи автоматизації
Функціональні ознаки системи автоматизації представлено у таблиці 1.1.
Таблиця 1.1. Функціональні ознаки систем автоматизації.
Витрата сірчаної кислоти
Тиск у колоні очистки
Рівень розчину у випарному апараті
2. Специфікація на технічні засоби автоматизації
Таблиця 2.1. Специфікація на технічні засоби автоматизації.
Для автоматизації колони для очистки H2SO4 використаємо давачі специфікація яких наведена в таблиці 1.
Назва засобу та коротка техн. характеристика
Давач витрати DIVA 0÷50 м3год робочий тиск 32 МПа (32 бар)
Давач тиску WIKA 0÷25 бар
- похибка вимірювань ±2 мм;
- діапазон вимірювань 03 6 м;
- напруга живлення (21 27) В постійного струму;
- умови експлуатації (температура контрольованого середовища – (-30 +180) оС тиск – до 25 МПА ).
Виконавчий механізм МЕО NA080-SR:
- вбудована функція швидкісної відсічки;
- обертовий момент 50 Нм;
- час повного ходу на 90o – 17 с;
- живлення 220380 50 Гц змінного струму 24 В постійного струму;
- вбудований давач положення з уніфікованим 4-20 мА;
- керуючий сигнал 24 В постійного струму.
Розробка математичної моделі. Моделювання в Matlab
Рівняння динаміки рівня для збірника H2SO4:
де - QUOTE густина H2SO4 ;
QUOTE – площа збірника; QUOTE ;
QUOTE – витрата притоку;
QUOTE – витрата відтоку;
Зробивши перетворення Лапласа:
де f2 – площа поперечного перерізу зливного клапана;
H0 – висота збірника;
c2 – коефіцієнт витрати.
1. Вибір та обрунтування типу перехідного процесу
Для контуру регулювання витрати із запізненням вибираємо перехідний процес з 20%-им перерегулюванням. Даний перехідний процес забезпечить оптимальний час регулювання і необхідну точність.
2. Визначення закону регулювання
При виборі типу регулятора орієнтуємось на величину відношення запізнення до сталої часу об'єкта. Для нашого випадку . Отже вибираємо цифровий ПД-регулятор який забезпечить найбільш високу швидкодію і компенсує запізнення в контурі.
3. Розрахунок оптимальних параметрів регулятора
Передаточна функція виконавчого механізму:
Сталу часу ВМ беремо із паспортних даних Твм=1.5 с.
Тоді передаточна функція виконавчого механізму матиме вигляд:
Передаточна функція давача рівня з перетворювачем в уніфікований сигнал:
Сталу часу перетворювача беремо із паспортних даних ТП=1.5 с.
Запишемо передаточну функцію перетворювача:
Для побудови перехідного процесу розрахованої САР скористаємось програмним забезпеченням MatLab і середовище Simulink.
Рис.2. Структурна схема контуру регулювання
В результаті моделювання отримаємо наступний перехідний процес:
Рис.3. Перехідний процес контуру регулювання
tp=100(c) – час регулювання;
Перерегулювання - 5%
Коефіцієнти налаштування ПД-регулятора:
Розробка програмного забезпечення
Для керування процесом сушки шпону використаємо промисловий контролер Schneider Micro TSX 37-22. Програмне забезпечення розробимо у середовищі PL7 PRO. Виберемо тип контролера те версію програмного середовища:
Рис. 4.1. Вікно вибору контролера.
Здійснимо конфігурування контролера. Для цього виберемо закладку Конфігурація. Встановимо модуль 12-канального дискретного вводу TSX DEZ 12D2 у третьому слоті контролера модуль 8-канального дискретного виводу TSX DSZ 08R5 у четвертому слоті. Для підключення аналогових давачів використаємо вбудовані аналогові входи також використаємо 1 вбудований аналоговий вихід контролера.
Рис. 4.2. Вікна конфігурування контролера.
Рис. 4.3. Вікно конфігурування модуля TSX DEZ 12D2.
Рис. 4.4. Вікно конфігурування вбудованих аналогових входів та одного аналогового виходу контролера.
Рис.4.5. Вікно конфігурування модуля дискретного виводу TSX DSZ 08R5
Розробимо програму керування роботою ванни для суміші (теплообмінник). Для написання програми використаємо мову драбинкових діаграм (Ladder Language – LD) та структурованого тексту (Structured Text – ST). Дерево проекту у середовищі програмування PL7 PRO зображено на рис. 11.
Рис. 4.6. Дерево проекту у середовищі програмування PL7 PRO.
Використані входи-виходи вказані у таблиці 3.1.
Таблиця входів-виходів
Кнопка початку роботи
Кнопка аварійної зупинки
Рівень у збірнику очищеної кислоти
Тиск на нагнітальній лінії насоса
Вихідний сигнал регулятора рівня кислоти у збірнику
Вихідний сигнал каскадного регулятора верхнього рівня кислоти в збірнику
Вихідний сигнал каскадного регулятора нижнього рівня кислоти збірнику
Вихідний сигнал регулятора нормального рівня в збірнику
Сигналізація граничного верхнього рівня кислоти
Сигналізація гранично нижнього рівня кислоти
Сигналізація допустимого рівня кислоти в збірнику
Сигналізація граничного значення високого тиску
Сигналізація гранично значення низького тиску
Сигналізація допустимого тиску в нагнітальній лінії насоса
Біт аварійної зупинки
Таблиця параметрів PID реглятора рівня
MW1 -ручне управління;
Таблиця параметрів каскадного PID реглятора тиску з допоміжною координатою за рівнем
MW45 -ручне управління;
Для реалізації необхідної програми використаємо мову драбинкових діаграм LD (для реалізації програми) та мову структурованого тексту ST (для ініціалізації сталих величин).
Рис. 4.7. Програма керування процесом.
Рис. 4.8. Програма налаштування ПД регулятора та перетворення в апартних значень в реальні.
Розробка другого рівня системи контролю та керування
Графічне представлення ходу технологічного процесу розробимо засобами програмного забезпечення PL7 PRO. При цьому зобразимо мнемосхему процесу відобразимо дані основних технологічних параметрів (рис.13).
Рис. 5.1. Графічне представлення ходу технологічного процесу засобами програмного забезпечення PL7 PRO.
В ході проведеної роботи було проведено дослідження колони для очистки H2SO4 вибрані основні задачі керування і регулювання структури і типи АСК ТП технічні засоби автоматизації і мікропроцесорної техніки.
Одним із найважливіших завдань автоматизації технологічних процесів являється автоматичне регулювання яке має на меті підтримання (стабілізації) заданого значення регульованих змінних що дозволяє отримати продукцію необхідної якості а також безпечну та економічну роботу технологічного устаткування.
В даному проекті було представлено основні принципи розробки АСУ процесом випарювання. Дана АСУ являється комплексною автоматизованою системою яка побудована з використанням сучасних системи автоматизованого проектування що в цілому виконують необхідні функції вимірювання контролю автоматичного керування та регулювання технологічного процесу.
Спроектована АСУ забезпечує оптимальний режим роботи технологічного процесу. Для АСУ обраний комплекс ТЗА розрахований та оптимізований контур регулювання за допомогою пакету прикладних програм MatLab Simulink.
Список використаної літератури
Руководство пользователя Trace Mode. Москва 2007.
Деменков Н.П. Scada-системы как инструмент проектирования АСУ ТП. М. МГТУ имени Н.Э.Баумана 2004.
Управляющие вычислительные машины в АСУ технологическими процессами. Т.1-2Под ред. Т.Харисона.-М.:Мир1976.-1062 с.
Пустоваров В.И. Язык Ассемблера в программировании информационных и управляющих систем-М.: "ЭНТРОП"К.:"ВЕК"1996.-304 с. ил.
Глинков Г.М. Маковский В.А. АСУ ТП в агломерационных и сталеплавильных цехах.-М.:Металлургия1981.-360 с.
Стефани Е.П. Основы построения АСУТП. -М.: Энергоиздат 1982.-352 с.
Автоматизированные системы управления технологическими процессами (справочник). Под ред. акад. Б.Б.Тимофеева.- К.: Технiка 1983.-351 с. ил.
Клюев А.С. и др. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. Справочное пособие. М.: Энергия 1980.
В якості давачів тиску візьмемо перетворювач тиску Wika A-10 для загальнопромислових застосувань. Дана серія перетворювачів тиску була ретельно сконструйована спеціально для різноманітних промислових застосувань при можливості негайної поставки готового приладу зі складу.
Невеликі габарити і міцна конструкція роблять цей прилад універсальним засобом виміру підходящим для більшості додатків в машинобудуванні управлінні технологічними процесами лабораторних вимірах в системах контролю якості та тестування матеріалів.
Технічні характеристики:
- Діапазони -0.1 0 бар до -1 24 бар
0.1 бар до 0 1000 бар надл.
0.25 бар до 0 25 бар абс.
Нелінійність 0.2% діапазону
Вихідний сигнал 4 20 мА 0 10 В 0 5 В 1 5В
В якості давачів витрати використаємо витратомір-лічильник DIVA. Він призначений для вимірювання витрат багатьох речовин (рідин та газів). Витратомір-лічильник DIVA являється комплексною системою і не потребує додаткового устаткування такого як наприклад давач перепаду тиску чи давач температури і т. д.
Основні характеристики:
Ступінь захисту IP65
Напруга живлення В 24
Вихідні сигнали Analog
Діапазон робочих параметрів:
В якості давача рівня використаємо ультразвуковий датчик рівня і індикатор серії LU 1000 характеризується тим що в процесі вимірювання відсутній контакт з продуктом.
Перетворювач посилає короткі ультразвукові імпульси до поверхні продукту . Відображення цих імпульсів виходить тим же перетворювачем . Ультразвукові хвилі рухаються зі швидкістю звуку. Час що минув з моменту випромінювання сигналу до його відображення поверхнею продукту плюс час необхідний для отримання сигналу перетворювачем визначає відстань між датчиком і продуктом.
Підрахунок цієї відстані виконується за допомогою мікропроцесора з потужним і інтелектуальним програмним забезпеченням яке вибирає правильний рівень відлуння серед усіх відлуння створених внутрішніми елементами ємностей.
Датчик температури вбудований в перетворювач забезпечує фактичну робочу температуру мікропроцесора що робить правильні поправки обчислень вимірюваного відстані.
Зміни в продукті не впливає на правильну роботу ультразвукового датчика рівня тому немає необхідності перенастроювати пристрій для кожного нового продукту . Непроникаючий датчик рівня спрощує установку та експлуатацію .
Ультразвуковий датчик рівня застосовується для
- Контролю рівня в резервуарах - сховищах хімічних і нафтохімічних продуктів очищеної води стічних вод дощової води
- Контролю рівня в сховищах для порошку зернистих продуктів
- Контролю рівня харчових продуктів ( соуси випічка сироп і т.д.) та напоїв ( вино молоко мінеральна вода напої типу кола і т.д.)
- Вимірювання витрати у відкритих резервуарах в комбінації з електромагнітними датчиками серії FLOMAT (програмне забезпечення що інтегрує сигнали не включене)
- Контролю паперових картонних сталевих і пластикових бобін
- Контролю проміжних ємностей для процесів таких як запуск - зупинка насосів відкриття - закриття клапанів і т.д.
Рівнемір серії LU має компактний дизайн з полікарбонатним корпусом (електроніка і дисплей). За запитом доступний віддалений дисплей. Крім того він добре стійкий до корозійної середовищі . Просте програмування за допомогою клавіатури - дисплея сподобається будь-якому користувачеві.
Основні технічні характеристики:

Пог.cdw

Автоматизація колони для
очистки сульфатної кислоти
Рис. 1. Програма керування процесом
Рис. 2. Програма налаштування PID-регулятора
Рис. 3. Графічне представлення процесу засобами PL7

ФСА.cdw

Дискретне управління
Колона очистки К-212
Збірник очищеної кислоти
Перетворювач витрати