Министерство образования и науки российской

федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

(МГУПБ)

Кафедра автоматизации биотехнических систем Системы управления химико-технологическими процессами Методические указания к выполнению курсового проекта

для студентов специальностей: 240901 - Биотехнология;

240902 - Пищевая биотехнология

Москва 2011

Составители: Н.А.Семина, к.т.н., доц.

Н.Н.Смирнов, к.т.н., доц.

Методические указания к выполнению курсовых проектов составлены в соответствии с рабочей программой по курсу «Системы управления химико-технологическими процессами».

Методические указания включают: введение, методические указания к выполнению курсового проекта, примерную тематику курсовых проектов, порядок выполнения и оформления курсовых проектов, приложения.

Утверждены к изданию УМС МГУПБ

© МГУПБ, 2011

Введение

Автоматизация производственных процессов является одним из наиболее важных направлений технического прогресса, эффективным средством повышения производительности труда на предприятиях мясной и молочной промышленности. Поэтому при подготовке специалистов в высших учебных заведениях в настоящее время большое внимание уделяется изучению основ теории и технике измерения, контроля, автоматического регулирования технологических процессов и управления ими.

Цель курсового проекта. Изучить и практически использовать знания по теории автоматического управления, элементам и системам измерительной техники и автоматических устройств, а также по проектированию систем автоматизации технологических процессов отрасли. Знания, полученные при выполнении курсового проекта будут использоваться при выполнении раздела «Автоматизация технологических процессов отрасли» дипломного проекта.

В курсовой проект входит разработка параметрической модели объекта автоматизации, выбор технических средств автоматизации, а также разработка функциональной схемы автоматизации, алгоритма контроля и управления.

1. Методические указания к выполнению курсового проекта

1.1.Задачи проектирования систем автоматизации

Схема автоматизации (СА) технологического процесса - это основной документ проекта, отражающий технические решения автоматизации конкретных технологических процессов и показыва­ющий функциональные связи между ними и средствами контроля и управления. В автоматизированных системах управления возникает необходимость в передаче информации о ходе процесса в АСУ производством или предприятием, поэтому на схеме автоматизации можно также показать средства передачи информации в эти системы.

Проектированию СА предшествует решение ряда вопросов, возникающих при создании систем автоматизации. Так как схема автоматизации служит основанием для разработки остальных чертежей проекта, принятие определенных решений на стадии ее проектирования предопределяет уровень автоматизации объекта, выполнение системой критерия управления, достижение высоких технико-экономических показателей и технологических требований.

При проектировании схем автоматизации решаются следующие основные задачи.

Анализ технологического процесса. Глубокое знание технологии производства, для которого разрабатывается система автоматизации, позволяет обоснованно решать вопросы управления им. В большинстве случаев система автоматизации создается для действующей установки с известными технологическим регламентом, режимами работ и конструктивными особенностями, оснащенной запорной и регулирующей арматурой. Относительно статических и динамических характеристик управляемого объекта имеются определенные сведения. Все эти сведения подлежат тщательному анализу при проектировании СА.

В процессе разработки схемы автоматизации может возникнуть необходимость в изменении технологии производства, конструктивного оформления установки и принципов ее управления. Такие вопросы решаются совместно со специалистами-технологами.

При проектировании систем автоматизации производства всегда возникает задача согласования производительности смежных участков, что дает возможность исключить ряд возмущающих воздействий.

Анализ технологического процесса позволяет также правильно выбрать основные контролируемые и управляемые величины, установить диапазон их изменения и рабочее значение, определить характеристики возмущающих воздействий и выбрать главные управляющие воздействия. В последнем случае существует определенная свобода выбора. Например, управляющим воздействием может быть как приток вещества или энергии в аппарат, так и сток его. Выбор управляющих воздействий определяется их наибольшей эффективностью и структурой системы автоматизации.

Анализ существующих схем автоматизации. Окончательные решения по автоматизации производства принимаются после анализа существующих схем автоматизации, известных из отечественной и зарубежной литературы. Рабочий вариант схемы автоматизации должен обеспечить достижение наиболее высоких технико-экономических показателей среди существующих схем автоматизации, не только соответствовать принятым технологическим требованиям, но и учитывать также перспективы совершенствования технологических процессов и особенности развития технических средств автоматизации. Это позволяет совершенствовать систему автоматизации без существенных затрат. Оптимальный объем (уровень) автоматизации технологического процесса определяется поставленными задачами с учетом технико-экономического обоснования целесообразности автоматизации на базе принятого комплекса технических средств.

Анализ статических и динамических характеристик объекта, определение структуры схем регулирования. Наиболее целесообразно совместное создание технологического процесса и системы управления им. В этом случае технологический процесс и система автоматизации наиболее полно могут соответствовать требованиям, предъявляемым к автоматизированным процессам, так как на стадии проектирования могут задаваться (специалистами по автоматике) и реализовываться (специалистами-технологами) необходимые статические и динамические свойства объекта. Все это позволяет получить высокие технико-экономические показатели работы и обеспечить требуемое качество регулирования основных технологических параметров. При автоматизации действующих установок необходимо располагать определенными сведениями о существующих свойствах управляемого объекта в виде статических и динамических характеристик. Эти сведения помигают правильно выбрать каналы регулирования (регулирующие воздействия), обеспечивающие высокую эффективность управления.

Выбор на технологической схеме точек контроля или отбора импульсов на регулирующие системы. Многие управляемые объекты являются объектами с распределенными параметрами и поэтому выбор точек контроля или отбора импульсов приобретает важное значение, так как от этого зависит не только представительность сигнала, но и точность оценки значения контролируемых или регули­руемых параметров в каждый момент времени. В системах автоматического регулирования выбор точек отбора импульсов должен обеспе­чить наряду с названными требованиями еще и достаточно точное представление о статических и динамических свойствах управляемого объекта. В ряде случаев именно место отбора импульсов определяет настройки регуляторов, качество регулирования и другие показатели функционирования системы.

В общем случае технологический параметр часто представляет собой величину, непрерывно изменяющуюся во времени и распределенную в пространстве. Простейшая задача, возникающая в системах контроля, сводится к выбору числа и точек размещения датчиков по длине и объему агрегата. Оценка требуемого расстояния между датчиками осуществляется заданием средней квадратичной погрешности аппроксимации значения измеряемой величины по длине агрегата, а также выбором соответствующего алгоритма интерполяции.

Выбор точек контроля или отбора импульсов для регулирующих систем должен также обеспечить удобство монтажа соответствующих технических средств на оборудовании.

Выбор измерительных и регулирующих приборов. Данная задача является одной из важнейших при проектировании.

Выбор местоположения вторичных приборов и средств автоматизации. В соответствии с принятым уровнем автоматизации выбирают структуру системы в целом, что определяет местоположение вторичных приборов и средств автоматизации. Чувствительные элементы, отборные устройства, регулирующие органы, исполнительные элементы и другие средства автоматизации, служащие для непосредственного получения информации либо для формирования управляющих воздействий, располагают на технологических трубопроводах, в конструктивных элементах технологического оборудования, либо в специально спроектированных устройствах, которые установлены на этом оборудовании.

Различные преобразователи, промежуточные элементы, а иногда и автоматические регуляторы можно располагать как рядом с управляемым объектом, так и на локальных пунктах управления отдельными агрегатами. Средства обработки первичной информации, автоматические регуляторы, сигнальные устройства и вспомогательные средства (элементы схем питания, сигнализации, управления и др.) размещают также на локальных пунктах управления. Вторичные приборы можно располагать на локальных и центральных пунктах управления. Некоторые измеряемые и регулируемые параметры могут дублироваться, т. е. фиксироваться на разных щитах.

Допустимая точность измерения контролируемого параметра обычно задается допуском, т.е. пределом, внутри которого допускается отклонение значений параметра от номинального значения.

Для действующих технологических процессов (ТП) значения допустимого размаха контролируемых параметров могут быть получены из технологического регламента или технологической инструкции на данный процесс.

При выборе необходимых средств измерений (СИ) определяют:

• возможность применения СИ для данного объекта автоматизации;

• диапазон измерения (диапазон измерений применяемых СИ должен на 10-15% превышать диапазон возможных изменений измеряемого параметра и быть ближайшим (из ряда возможных) к границам изменений этого параметра. Если одна граница диапазона равна нулю, превышение касается только верхней границы диапазона);

• погрешность средств измерений. При этом учитывают, что погрешность прямых измерений параметра практически равна погрешности средств измерений в рабочих условиях. При косвенных измерениях погрешность СИ составляет часть погрешности измерений. В таких случаях необходимо представление о методической составляющей погрешности измерений. Погрешность измерений средних значений (по n точкам измерений) практически в раз меньше погрешности измерений в одной точке. Погрешность измерений средних значений (в одной точке) за некоторый интервал времени также меньше погрешности измерений текущих значений за счет фильтрации высокочастотных случайных составляющих погрешности средств измерений. Чрезмерный запас по точности СИ экономически не оправдан;

  • возможность метрологического обеспечения (технического обслуживания, текущего ремонта, калибровки и т.п.).

В зависимости от особенностей объекта автоматизации также определяют:

• условия измерения, состоящие из параметров окружающей среды и параметров объекта измерения, которые не измеряются данными СИ, но влияют на результат измерения (например, температура, давление, влажность, наличие вибрации и т.п.);

• быстродействие средств измерений. В процессе измерений параметр объекта может изменяться во времени. Вследствие того, что результаты измерений Хи() не успевают точно следить за изменениями величины Х(), возникает динамическая погрешность д. При малой скорости изменений измеряемой величины по сравнению с инерционностью показаний применяемых СИ этими погрешностями можно пренебречь.

В ряде случаев на получение результата измерения затрачивается много времени и может оказаться, что измеренный параметр объекта изменился так, что погрешность д окажется неприемлемо большой. Поэтому средства измерений могут быть применены для измерения параметров продукта без специального учета динамической погрешности, если изменения измеряемой величины за время измерения Ти не превышает 1/3 предела допускаемой погрешности, установленной в технической документации на эти СИ.

Большинство процессов обработки пищевых продуктов занимает достаточно длительное время. При этом могут возникать случайные возмущения. Если кратковременные выбросы значений параметров не изменяют качества продукта, то можно ограничиться периодическим его измерением, в противном случае необходимо непрерывное измерение параметра процесса, а также сигнализация о приближении критического режима или автоматическое ограничение критического значения параметра. Необходимое СИ выбирают с учетом времени установления его показаний Тп. Эта характеристика средства измерений представляет собой отрезок времени с момента скачкообразного изменения измеряемой величины Х до момента, когда показания СИ достигнут полосы допуска на погрешность измерения и останутся в ней. Тп не должно превосходить 1/3-1/5 периода времени, в течение которого контролируемый параметр технологического процесса изменится на 20-25%. Время установления показаний приводится в технической документации на СИ.

• Вид требуемой информации – местные или дистанционные показания, автоматическая регистрация, интегрирование, сигнализации и др.

• Возможность и необходимость использования информации в системах автоматического управления и регулирования.

• Требования к помещению для анализов и измерений и (или) условия установки средства измерений (щитовая, настенная, на конструкции, по месту).

• Массу и габариты средств измерений и вспомогательных устройств.

• Условия поставки (доступность послепродажного обслуживания).

• Стоимость.

• Требования к персоналу, осуществляющему монтаж и обслуживание оборудования.

Условия применения выбранных средств измерений должны соответствовать установленным для них в соответствующих нормативно-технических документах (НТД). При использовании СИ в условиях, отличных от нормальных, но в пределах рабочих условий, при расчетах погрешности измерений необходимо принять во внимание дополнительные погрешности. Применение средств измерений в условиях, отличных от рабочих, допускается только после метрологической проверки на новые условия.

Монтаж измерительного оборудования должен проводиться с учетом того, чтобы за счет отборных и других вспомогательных устройств не возникали большие дополнительные погрешности. Возникшие же погрешности должны быть учтены в общей погрешности измерений.

При выборе средств измерений следует воспользоваться справочниками по средствам измерений, различными каталогами-проспектами предприятий и фирм, в том числе в ИНТЕРНЕТ-сайтах, номенклатурными перечнями приборов и средств автоматизации.

Если не представляется возможным подобрать средства измерений для прямых измерений, продумывают возможность применения косвенных измерений (СИ для измерения другой физической величины, связанной с необходимой соответствующей зависимостью).

Выбранные методы и средства измерений следует включить в метрологическую карту технологического процесса.

В приложении 4 (таблицы 1 и 2) дан пример оформления карты технологического процесса 1 и 2.