Контроль параметров процесса и автоматизация производства

Цельи задачи занятия

Цель занятия — освоить методику составления схемы автоматизации выбранного технологического процесса производства изделия из КМ. Задачи занятия:

1.Осуществить выбор основных параметров техпроцесса, оказываю­щих влияние на качество получаемых изделий.

2.Выбрать методы контроля и контрольно-измерительные приборы.

3.Составить функциональную схему автоматизации процесса.

4.Увязать схему автоматизации с технологической схемой и описать ее.

Теоретическая часть

Большое многообразие технологических параметров, подлежащих из­мерению, контролю или регулированию, различные условия эксплуатации, а также широкая специфика свойств контролируемых продуктов требуют де­сятки тысяч типов и моделей измерительных устройств. Все устройства по назначению подразделяют на четыре основные группы:

1.Для получения нормированной информации о состоянии процесса (первичные измерительные преобразователи, нормирующие устройства).

2.Для приема, преобразования и передачи информации по каналам связи.

3.Для преобразования, хранения и обработки информации и формиро­вания команд управления (усилители, функциональные и операционные пре­образователи, оптические устройства, устройства памяти, регистрации, задатчики, управляющие вычислительные устройства и комплексы).

4. Для использования командной информации с целью воздействия на процесс или представления ее оператору (исполнительные механизмы и уст­ройства, показывающие, самопишущие, печатающие приборы и т.п.).

Кроме того, в систему приборов и средств автоматизации включают устройства локального действия, объединяющие ряд или все упомянутые функции в одном изделии.

Для обеспечения совместной работы устройств в системах контроля, регулирования и управления, унифицируют виды носителей нормированной информации, метрологические характеристики, группы условий эксплуата­ции, конструктивное исполнение и общие технические условия, в том числе структурный состав, совокупность нормируемых параметров, надежность и ресурс, источники питания, комплектность и методы испытаний.

Технические средства получения, хранения, обработки и регистрации измерительной информации входят в состав различных агрегативных ком­плексов.

По роду энергии, используемой для передачи информации и команд управления, предусматриваются три ветви устройств систем приборов: элек­трическая, пневматическая и гидравлическая. Наиболее эффективно комби­нированное применение ветвей или их отдельных элементов.

Наиболее универсальной является электрическая ветвь, приборы и уст­ройства которой обладают высокой чувствительностью, точностью, быстро­действием, обеспечивают дальность связей, большую емкость каналов пере­дачи информации и т.п.

Пневматическая ветвь характеризуется безопасностью в легковоспла­меняющихся и взрывоопасных средах, высокой надежностью в тяжелых ус­ловиях работы и в агрессивных средах.

Гидравлические приборы обеспечивают точные перемещения испол­нительных механизмов при больших усилиях и т.д.

Преобразование формы и рода энергии сигналов, несущих информа­цию, осуществляется переходными преобразователями, обеспечивающими взаимосвязь и взаимозаменяемость, всех устройств систем приборов.

В общем случае процесс измерения — это ряд последовательных пре­образований измеряемой величины, проводимых до тех пор, пока результат измерения не будет приведен к требуемому виду. Измерение представляет собой сравнение измеряемой величины со шкалой возможных значений этой величины, а результат измерения состоит в выборе одного интервала из все­го множества интервалов шкалы.

Собственно измерение — это прием и преобразование информации об измеряемой величине с целью получения количественного результата ее сравнения с прй^рггой шкалой или единицей измерения в форме, наиболее удобной для дальнейшего использования человеком или машиной.

Под единицами измерения понимают конкретные значения физических величин, принятые за основание при количественной оценке величины того же рода.

Единицы измерения, выбранные произвольно, вне зависимости от единиц других физических величин, называют независимыми.

Производными единицами измерения называют единицы измерения, вы­раженные через ограниченное число независимых и представленные в виде за­кономерных качественных или количественных связей, описываемых матема­тическими формулами.

Система единиц измерения — это совокупность единиц для одного или нескольких разделов физики.

Выбор вида и размера единиц осуществляют с учетом ряда требований:

—обеспечение единообразия измерений и общности получаемых резуль­татов;

—минимальное число независимых единиц, через которые могли бы вы­ражаться все производные. Наиболее удобными являются системы, в которых независимые единицы выбраны так, что производные получаются из опреде­ляющих уравнений с числовыми коэффициентами, равными единице;

—рациональный выбор единицы измерения, удобной для практического использования.

Для практического применения при решении различных задач во всех об­ластях науки, техники и народного хозяйства используют единую Международ­ную систему единиц (СИ).

В состав измерительной аппаратуры входят меры, измерительные прибо­ры и вспомогательные устройства. По назначению они бывают образцовыми и
рабочими.

Образцовые приборы служат для воспроизведения и хранения единиц измерения, а также для градуировки и поверки рабочих измерительных уст­ройств.

Рабочие приборы предназначены для прямого или косвенного сравнения измеряемых величин с соответствующими единицами измерения и разделяются на две группы — лабораторные и технические.

Лабораторные приборы характеризуются установленной точностью, а в результат измерения вносят поправки в соответствии с паспортными данными и учитывают влияние внешних факторов.

Для технических приборов точность принимается заранее заданной и в результат измерения не требуется вносить какие-либо поправки.

Измерительными преобразователями называют средства измерения, с помощью которых формируются сигналы измерительной информации, удоб­ные для передачи, обработки и хранения.

Под измерительными приборами понимают средства измерения, предна­значенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, дос­тупной для непосредственного восприятия наблюдателей. Измерительные приборы прямого действия преобразуют сигнал изме­рительной информации один или несколько раз только в одном направлении. Применение обратных связей характерно для измерительных приборов срав­нения, построенных по методу уравновешивающего преобразования. В таких приборах происходит обратное преобразование выходной величины в вели­чину, однородную с входной величиной, и их взаимное уравновешивание с определенной степенью точности.

По способу выдачи результатов измерения измерительные приборы могут быть показывающими и регистрирующими.

Показывающие приборы допускают только визуальное отсчитывание показаний, регистрирующие осуществляют регистрацию измеряемой величины. Регистрирующие приборы, фиксирующие измерения в виде графиков или ряда символов на непрерывно движущейся ленте, диаграмме, называют самопишущими.

Измерительные устройства с приспособлениями для сигнализации оп­ределенных значений измеряемой величины или для ее автоматического ре­гулирования называют соответственно сигнализирующими или регулирую­щими.

Метрологические характеристики измерительных устройств служат основными критериями их качества. Как правило, для выработки сигналов измерительной информации в удобной форме используют измерительные системы, представляющие собой совокупность средств измерения (измери­тельные приборы, преобразователи и др.) и вспомогательных устройств, со­единенных между собой каналами связи.

Метод измерения — это совокупность отдельных преобразований ин­формации о значении измеряемой величины, обеспечивающая получение ре­зультата измерения в заданной форме. Различают прямые, косвенные и сово­купные измерения.

Результат прямого измерения получают непосредственно из опытных данных. К косвенным измерениям относят те, результат которых получают на основании прямых измерений нескольких величин, связанных с искомой величиной определенным уравнением.

Совокупные измерения состоят из ряда прямых и косвенных измере­ний одной или нескольких однородных величин. В ходе измерения инфор­мацию представляют в виде произвольных или нормированных сигналов аналоговой или дискретной формы. В системе измерения первый из числа измерительных преобразователей называют первичными или приемными (рис. 11), который может быть объединен с нормирующими преобразовате­лем, обеспечивающим представление измерительных сигналов в унифициро­ванной форме.

Устройства, предназначенные для дистанционной передачи сигналов или их масштабного изменения, называют соответственно передающими и масштабными преобразователями.

Различают:

— пневматические преобразователи с силовой компенсацией (рис.12 а);

—электросиловые преобразователи (рис. 12 6);

—электропневматические преобразователи (рис. 12 в);

—частотные унифицированные преобразователи (рис. 12 г);

—дифференциально-трансформаторные преобразователи (рис. 13);

—ферродинамические преобразователи (рис. 14).

\

1 — первичный измерительный преобразователь; 2 — заслонка: 3 — сопло;

4 — пневматический усилитель; 5 — линия передачи сигнала;

6 — сильфон обратной связи; 7 — передвижная опора; 8 — пружина; 9 — сердечник; 10 — ярмо; 11 — электронный усилитель; 12 — катушка: 13 — постоянный магнит; 14 — струна

Рис. 14. Устройство (а) и характеристика (б) ферродинамического преобразователя.

В соответствии с назначением и условиями эксплуатации автоматиче­ские измерительные приборы обеспечивают:

—контроль и регулирование технологических параметров с высокой точностью измерения и записи;

—мнемонический контроль и сигнализацию в системе щитов и пуль­тов управления (с невысокой степенью точности измерения и записи пере­менных). Мнемосхема — схема изображения основных технологических связей внутри и между цехами;

—измерение и контроль параметров при научных исследованиях (для обеспечения быстродействия и высокой точности измерения). Рис. 12. Нормирующие преобразователи с унифицированными выходными сигналами

Установленные для автоматических приборов классы точности 0.25; 0.5; 1.0 и 1.5 соответствуют основной допустимой погрешности измерения (показаний) ±0,25; ±0,5; ±1,0; и ±1,5%. Погрешность записи при этом не пре­вышает удвоенного значения основной погрешности.

В зависимости от числа измеряемых параметров и условий эксплуата­ции различают одно- и многоканальные автоматические приборы, в нор­мальном и искробезопасном, а также в тропическом исполнении.

Для расширения возможностей использования в автоматические при­боры встраиваются автоматические регуляторы, устройства сигнализации и вторичные преобразователи. В основу построения автоматических приборов положен агрегатно-блочно-модульный принцип. Он обеспечивает получение рода модулей и модификаций, выполняющих функции измерения, записи и регулирования многих величин с использованием различных входных и вы­ходных устройств.

Различают автоматические электронные потенциометры, электронные мосты, компенсаторы и др.

Состояние объектов химической технологии характеризуется текущи­ми значениями температуры, давления, уровня рабочих сред в аппаратах, расхода продуктов, химическим составом и физическим состоянием веществ на различных стадиях производства.

Обоснование выбора элемента системы автоматизации производят на основании анализа внешних (режимных) и внутренних (качественных и мет­рологических) факторов, особенностей объекта управления и условий его эксплуатации, требований к качеству управления, контроля и т.д.

Наиболее часто в технологических процессах контролируют и регули­руют температуру, давление, уровни жидкостей и сыпучих материалов, рас­ход веществ и т.п.

Для измерения температуры используют две основные группы прибо­ров и методов — контактные и бесконтактные. Наибольшее применение для измерения температуры получили следующие приборы:

—термометры расширения;

—манометрические термометры;

—электрические термометры сопротивления;

—термоэлектрические термометры;

—пирометры излучения;

По роду измеряемой величины приборы давления подразделяют на: барометры — для измерения атмосферного давления; манометры — для избыточного давления; вакуумметры — для разрежения;

мановакуумметры (тягонапорометры) — для избыточного давления и разряжения,

дифференциальные манометры — для разности (перепада) давлений.

По принципу действия (измерения) приборы давления бывают: пру­жинные, мембранные, манометры сопротивления, пьезоэлектрические, ра­диоизотопные, ионизационные и др.

Для измерения уровня жидких веществ в промышленности используют поплавковые уровнемеры, гидростатические, электрические (емкостные), ультразвуковые и радиоактивные приборы.

Уровень сыпучих и кусковых материалов измеряют при помощи элек­трических устройств и различных механических уровнемеров с тормозящей­ся крыльчаткой, с вибрирующим поплавком и др.

Задачи измерения расхода возникают при необходимости учета жид­костей, газов, паров и сыпучих материалов в процессе их перемещения. Для измерения сыпучих материалов наиболее часто используют дозаторы (объемные, весо­вые). Учет жидкостей и газов, транспортируемых по трубопроводам, осуще­ствляют расходомерами и счетчиками.

Под расходом вещества понимают его количество, прошедшее через сечение канала в единицу времени.

В промышленности применяют расходомеры переменного перепада давления, обтекания, электромагнитные, крыльчато-тахометрические и теп­ловые.

Устройство и принцип действия рассмотренных приборов подробно описаны в литературе.