Автоматизация технологических процессов и производств


М. Н. Молдабаева









                АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ




Учебное пособие











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2019

УДК681.5
ББК32.965
    М75








        Молдабаева, М. Н.

М75 Автоматизация технологических процессов и производств : учебное пособие / М. Н. Молдабаева. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 224 с. : ил., табл.
       ISBN 978-5-9729-0330-6


        Дана краткая характеристика основных отраслей промышленности, требующих автоматизации. Рассмотрены принципы построения систем автоматического управления технологическими производствами и процессами, предложены схемы автоматизации, и раскрыт механизм их работы. Материал сопровождается контрольными вопросами, тестовыми заданиями, лабораторными работами и методическими указаниями по выполнению курсовых работ.
        Для студентов технического и профессионального образования, обучающихся по специальности «Управление в технических системах», а также инженеров КИПиА.

УДК681.5
ББК 32.965











ISBN 978-5-9729-0330-6 © Молдабаева М. Н., 2019
                      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
                      © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

ГЛАВА 1


            Основные понятия управления процессами


     Под управлением понимают действия, направленные на поддержание или улучшение функционирования объектауправления (рис. 1.1).
     Объектом управления называется динамическая система, характеристики которой изменяются под влиянием возмущающих и управляющих воздействий.
     В объект управления поступают возмущающие воздействия, которые приводят к отклонению выходных параметров объекта, характеризующих выполнение цели управления. Информация о текущих значениях выходных параметров передается в управляющую систему, где они сравниваются с соответствующими заданными значениями. В результате сравнения вырабатываются управляющие воздействия, поступающие в объектуправления (рис. 1.2).

        § 1.1. Объект управления

     Объектами управления могут быть механизмы, машины и аппараты, в которых протекают технологические процессы (измельчение, перемешивание, кристаллизация, сушка и т. п.), производства (синтетического каучука, серной кислоты, автомобильных шин и т. п.), предприятия (заводы, фабрики) и целые отрасли промышленности (химическая, нефтеперерабатывающая и нефтехимическая и др.).
     Ниже приведены классы и типы технологических процессов.

Классы процессов  Типы процессов                                       
Гидромеханические Перемещение жидкостей и газов, разделение            
                  неоднородных систем, перемешивание, очистка газов    
Тепловые          Нагревание, охлаждение, выпаривание, искусственное   
                  охлаждение, кристаллизация                           
Массообменные     Ректификация, абсорбция, адсорбция, сушка, экстракция
Механические      Измельчение, дозирование, сортировка, перемещение    
Химические        Окисление, восстановление, синтез, разложение солей, 
                  образование гидроксидов, нейтрализация, дегидратация,
                  электролиз, изомеризация, крекинг, ароматизация,     
                  омыление и др.                                       

      Технологические процессы одного типа (например, процессы нагревания) могут отличаться аппаратурным оформлением, свойствами перерабатываемых веществ и т. д. Однако они протекают по одним и тем же законам и характеризуется аналогичными зависимостями между параметрами (например, между температурой, давлением и расходом теплоносителей).
      Для процессов одного типа, протекающих в аппарате наиболее распространенной конструкции, может быть разработано решение по автоматизации, в принципе приемлемое для всех разновидностей этих процессов. Будем

з

называть его типовым решением автоматизации. Типовое решение значительно облегчает работу по автоматизации для каждого конкретного случая.
     В некоторых объектах протекают процессы, подчиняющиеся различным законам. Например, технологический процесс в ректификационной колонне подчиняется законам гидродинамики (так как происходит перемещение потоков), тепло- и массопередачи (потому что между потоками жидкости и пара постоянно осуществляется тепло- и массообмен).

Рис. 1.1. Функционирование объекта управления

     Автоматизировать такие процессы намного сложнее, чем процессы, протекающие только по одному закону.
     Технологические процессы характеризуются большим числом разнообразных параметров. Особенно сложны в этом отношении химические и массообменные процессы. Несмотря на многообразие параметров, все они могут быть объединены в три группы: входные, режимные и выходные.
     Входные параметры характеризуют материальные и энергетические потоки при входе в аппарат (расход сырья, давление греющего пара и т. д.).

Задания

Рис. 1.2. Схема управления объектом

Выходные парапетрм

4

     Внутренние режимные параметры дают представление об условиях протекания процесса внутри аппарата. В некоторых объектах управления значения параметров неодинаковы в разных точках одного и того же аппарата (например, в ректификационной колонне давление, температура и состав продукта меняются по высоте колонны). Такие параметры называют распределенными в отличие от сосредоточенных параметров (например, давление в ресивере). Управлять объектами с распределенными параметрами, как правило, сложнее, чем объектами с сосредоточенными параметрами. Выходные параметры характеризуют энергетические и материальные потоки на выходе из аппарата (состав конечного продукта, количество отходов и т. д.). Это могут быть также сводные экономические показатели процесса, например себестоимость или затраты на производство конечной продукции.
     Совокупность значений всех параметров процесса называют технологическим режимом, а совокупность значений параметров, которая обеспечивает решение задачи, поставленной при управлении процессом, — нормальным технологическим режимом. Определяя нормальный технологический режим, задают перечень параметров, значения которых необходимо поддерживать на определенном уровне, а также указывают диапазоны значений, в которых изменение этих параметров не приводит к серьезным нарушениям технологического режима. Управление технологическим процессом сводится к поддержанию параметров науровне, соответствующем нормальному технологическому режиму.
     Внешние возмущающие воздействия проникают в объекты управления извне: вследствие изменения входных параметров, некоторых выходных параметров, а также параметров окружающей среды. Изменение любого входного параметра процесса обязательно приводит к изменению течения процесса в объекте. Однако изменение некоторых выходных параметров влияет на внутренние параметры. Так, изменение расхода пара, выходящего из ректификационной колонны, отражается на давлении в колонне, а изменение расхода остатка — на уровне жидкости в кубе. Возмущения, поступающие в объект управления при изменении параметров окружающей среды, наиболее сильно влияют на технологический режим в случае установки аппаратов под открытым небом.

Рис. 1.3. Схема усреднения и стабилизации входных параметров:
1 — аппарат с мешалкой; 2 — теплообменник; 3 — ректификационная колонна; 1а — регулятор температуры; Q — состав исходной смеси;
Т — температура исходной смеси

5

     Внутренние возмущающие воздействия возникают в самом объекте управления (например, при перераспределениях насадки в колоннах насадочного типа, загрязнении и коррозии внутренних поверхностей аппарата, изменении активности катализатора ит.д.).
     При управлении процессом особое внимание следует обратить на внешние возмущающие воздействия, так как они поступают в объект чаще, чем внутренние, нередко имеют ступенчатый характер, большую амплитуду изменения и в ряде случаев могут быть устранены до поступления в объект.
     Объект управления должен быть подготовлен к автоматизации: желательно, чтобы он был полностью механизированным и по возможности непрерывно действующим. В объектах периодического действия отдельные операции процесса проводятся в одном и том же аппарате в разное время, что вызывает необходимость периодической перестройки его работы (перекрывания одних магистралей и открывания других; изменения заданных значений регулируемых параметров и самих параметров и т.д.). Это затрудняет поддержание нормального технологического режима. Объект управления должен быть таким, чтобы число различных возмущающих воздействий, их амплитуда и частота были минимальными, а характер изменения — плавным. С этой целью, в частности, устанавливают дополнительные аппараты (например, ресиверы, мешалки, теплообменники), в которых входные параметры процесса стабилизируется илиусредняются(рис. 1.3).

        § 1.2. Управляющая система

     Управляющей системой называют совокупность персонала и автоматических устройств, связанных общей задачей управления. Автоматические устройства, входящие в управляющую систему, по функциональным признакам подразделяются на устройства контроля, регулирования, программного управления, сигнализации, блокировки и защиты. К ним относится также и вычислительная техника.
     Устройства контроля (контрольно-измерительные приборы) служат для получения информации о состоянии объекта и условиях его работы. Они могут быть выполнены либо в виде отдельных приборов, предназначенных для визуального контроля за параметрами процесса, либо являться составной частью устройств регулирования, сигнализации и защиты. К устройствам контроля относятся манометры, термометры, уровнемеры, расходомеры, газоанализаторы, концентратомеры и т. д.
     Контрольно-измерительные приборы устанавливают непосредственно у технологических аппаратов (местный контроль) или на центральных щитах управления (дистанционный контроль). На современном этапе автоматизации отдают предпочтение устройствам дистанционного контроля, а устройства местного контроля используют только для пуска и наладки технологических процессов.


6

     При дистанционном контроле большое значение приобретают устройства обегающего контроля, дающие возможность проводить автоматическое измерение многочисленных параметров с помощью одного прибора и вывода в случае необходимости любого параметра на прибор, а также малогабаритные и миниатюрные приборы, позволяющие уменьшить размер щитов и пультов управления и тем самым облегчить работу человека (оператора, диспетчера). В связи с широким внедрением регулирования процессов по качественным показателям в настоящее время особое значение приобретают устройства для анализа состава и свойств веществ.
     В случае применения обычных устройств контроля человек наблюдает за показаниями многочисленных приборов и сравнивает их с заданными (нормальными) значениями. Применяют также и принцип контроля параметров по их отклонениям. При использовании этого принципа прибор автоматически выдает информацию о степени соответствия фактического состояния объекта заданному. Оператор с одного беглого взгляда информационное поле понимает общее состояние процесса. При появлении сигнала отклонения какого-либо параметра оператор вызывает данный параметр на указывающий или самопишущий прибор для получения информации об абсолютном его значении.
     Устройства регулирования предназначены для поддержания постоянного значения параметров процесса (стабилизирующие регуляторы), а также для изменения их по заранее заданному или неизвестному закону (программные, следящие, экстремальные регуляторы). Эти устройства получают от объекта управления информацию о состоянии параметров и воздействуют на объект с помощью регулирующих органов. Для этих целей в настоящее время широко применяют управляющие электронные вычислительные машины и схемы каскадно-связанного регулирования. Устройства регулирования составляют наиболее важную группу устройств управляющей системы.
     Устройства программного управления служат для управления каким-либо процессом путем включения или выключения различных механизмов, машин, аппаратов по заранее заданной программе, являющейся функцией времени. Эти устройства применяют для управления объектами периодического действия. Одним из таких устройств является командный электропневма-тический прибор КЭП-12у, который в соответствии с заданной на его программном валике последовательностью посылает пневматические или электрические сигналы на исполнительные механизмы.
     Устройства сигнализации предназначены для автоматического оповещения обслуживающего персонала о наступлении тех или иных событий в управляемом объекте путем подачи звуковых или световых сигналов. Световые сигналы подают, как правило, с помощью электрических ламп, звуковые — с помощью звонков, сирен и гудков. Используют также автоматические устройства, подающие одновременно световой и звуковой сигналы, причем звуковой сигнал служит лишь для оповещения оператора о факте появления события в управляемом объекте, а световой указывает на место и характер этого события (например, у ламп устанавливают рамки с указанием параметра). В таких

7

устройствах один звуковой сигнализатор работает с несколькими световыми. Простые устройства сигнализации построены на базе контактных приборов (манометров, термометров и т. п.): при достижении параметром заранее установленного значения в приборе замыкается контакт, из-за чего включается сигнальная лампа или звонок.
     Различают следующие виды сигнализации: технологическую и сигнализацию положения (состояния).
     Технологическая сигнализация может быть предупредительной и аварийной.
     Предупредительная сигнализация предназначена для оповещения обслуживающего персонала об отклонениях параметров процесса, свидетельствующих о возникновении предаварийного режима. Оператор при получении такого сигнала должен срочно принять меры, предотвращающие аварию.
     Аварийная сигнализация оповещает о недопустимых значениях параметров процесса или об аварийном отключении какого-либо аппарата технологической схемы. Обычно аварийные сигналы подают мигающим светом и звуками резкого тона, так как требуется немедленное вмешательство оператора в ход процесса. Одновременно с появлением сигналов должны срабатывать имеющиеся на объекте автоматические устройства защиты.
     Сигнализация положения (состояния) указывает на состояние объектов (включены или выключены) и положение запорных органов (открыты или закрыты) в данный момент. Этот вид сигнализации осуществляют с помощью ламп.
     В ряде случаев применяют командную (командно-переговорную) сигнализацию, когда с помощью световых или звуковых сигналов передают различные указания с одного поста управления на другой. Например, с помощью такой сигнализации на рабочие места вызывают наладчиков, ремонтников.
     Устройства (схемы) блокировки служат для предотвращения неправильной последовательности включений и отключений механизмов, машин и аппаратов. Эти устройства (схемы) имеют большое значение при комплексной автоматизации, когда множество объектов автоматизируется как единое целое. Включение и отключение их должно производиться в строго определенном порядке, иначе может произойти авария. Например, включать группу транспортеров, работающих последовательно, следует против хода материала, т. е. первым должен быть включен последний по ходу материала транспортер; отключать транспортеры нужно в обратном порядке. При нарушении указанной последовательности произойдет завал транспортеров материалом.
     Устройства автоматической защиты предназначены для предотвращения аварий. В случае нарушения нормального режима эти устройства воздействуют на управляемый объект таким образом, чтобы предаварийное состояние не переходило в аварийное; иногда они сами восстанавливают нормальный режим.
     Примером устройств автоматической защиты является предохранительный клапан, устанавливаемый на аппаратах, работающих под давлением.

8

Он защищает аппараты от разрушения при повышении давления. Когда давление в аппарате достигает опасного, заранее установленного значения, полость аппарата станет сообщаться с атмосферой или со специальной линией, и давление резко уменьшится.
      В некоторых объектах может возникнуть только один признак опасности; тогда для предотвращения аварии достаточно включить или отключить одну магистраль. К таким объектам можно отнести трубчатую печь: в случае прекращения подачи нагреваемой жидкости в змеевики печи необходимо сразу же перекрыть линию топлива во избежание прогорания труб.
      В других объектах может возникнуть несколько признаков опасности, и для предотвращения аварии необходимо закрыть или открыть несколько магистралей, причем иногда это надо сделать в определенной последовательности. Например, при осуществлении процесса ректификации признаками опасности могут являться прекращение подачи исходной смеси, хладоносителя — в дефлегматор и конденсатор, теплоносителя — в кипятильник, а также повышение давления в колонне. Поэтому в случае появления любого из перечисленных признаков необходимо перекрыть или открыть сразу несколько магистралей.
      В отдельных случаях недостаточно только отключить объект управления, надо также продуть его инертным газом, например азотом. Это относится в основном к химическим реакторам. В случае появления опасности на таких объектах устройство защиты должно дополнительно обеспечить автоматическое открытие магистрали инертного газа.
      В схемах защиты иногда предусматривают задержку на срабатывание, что исключает срабатывание схемы при случайных (импульсного характера) возмущениях.
      Вычислительная техника может выполнять все функции указанных выше автоматических устройств и, кроме того, осуществлять расчет техникоэкономических показателей процесса (ТЭП), показателей качества целевых продуктов и расчет оптимальных технологических режимов с последующей их корректировкой (путем выдачи рекомендаций оператору, изменения задания регуляторам или же непосредственно воздействуя на объект через исполнительные органы).

Контрольные вопросы
1. Что понимают под объектом управления? Приведите примеры объекта управления.
2. На какие классы и типы подразделяются технологические процессы?
3. Как характеризуются технологические процессы?
4. Опишите внутренние и внешние возмущающие воздействия.
5. Что понимают под управляющей системой?
6. На какие автоматические устройства подразделяется управляющая система?
7. Перечислите виды сигнализации.
8. Для чего предназначены устройства регулирования?
9. Что относится к устройствам контроля?
10. Для чего служат устройства программного управления?


9

Тестовые вопросы
1. Воздействия, выводящие объект из равновесия, это:
А)   возмущение;
В)  режимные параметры;
С)  управляющие воздействия;
D)  входные воздействия;
Е)  выходные параметры.

2.  Совокупность сведений о потоках и массивах информации, характеризующих состояние АТК, составляет:
А)   программное обеспечение;
В)  метрологическое обеспечение;
С)  информационное обеспечение;
D)  технологическое обеспечение;
Е)  техническое обеспечение.

3.  ТП дробления руды относится к классу:
А)   тепловому;
В)  механическому;
С)  гидромеханическому;
D)  массообменному;
Е)  химическому.

4.  ТП охлаждения и кристаллизации относится к классу:
А)   массообменному;
В)  гидромеханическому;
С)  тепловому;
D)  механическому;
Е)  химическому.

5.  Управляющий сигнал — это сигнал:
А)   с преобразователя;
В)  с исполнительного механизма;
С)  с регулятора;
D)  с датчика;
Е)  с регулирующего органа.

6.  Предназначение АСУТП — это:
А)   выработка и реализация управляющих воздействий на ТОУ;
В)  изменение критерия управления;
С)  управление предприятием;
D)  выработка критерия управления на ТП;
Е)  обработка информации подсистем управления.

7.  Динамическая система, характеристики которой изменяются под влиянием возмущающих и управляющих воздействий, это:
А)   ТОУ;
В)  диспетчер-оператор;
С)  регулятор;
D)  АСУП комбината;
Е)  оператор — ТОУ.


10