Общие принципы построения систем автоматизации
Всякий производственный процесс, организуемый для переработки сырья в определенные виды готовой продукции, представляет совокупность машин и аппаратов, связанных между собой технологическими линиями.
В производственных процессах химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, относящихся к процессам химической технологии, машинами и аппаратами являются насосы, компрессоры, теплообменники, холодильники, колонны, реакторы и т. п., а технологическими линиями — трубопроводы и транспортеры.
В технологических аппаратах осуществляется переработка сырья (преобразование его физико-химических свойств), по технологическим линиям перемещаются сырье, реактивы, катализаторы, теплоносители, хладоагенты и прочие материалы из одних аппаратов в другие с помощью насосов и компрессоров.
Целью производственного процесса является получение готовых продуктов определенной номенклатуры и требуемого качества. Таким образом, производственный химико-технологический процесс представляет собой некоторую систему, в которой потоки сырья, реагентов, катализаторов, теплоносителей, хладоагентов и т. д. движутся от начала к концу процесса, т. е. от входа к выходу. Эти потоки обычно называют материальными и энергетическими.
В технологическом процессе они связаны между собой через соответствующие аппараты, агрегаты, машины, в которых осуществляется транспортирование, нагрев, охлаждение, испарение, конденсация, очистка и другая обработка веществ, вызывающая изменение их характера и состояния.
Каждый производственный процесс имеет вполне определенное целевое назначение и характеризуется своей технологической схемой, наличием того или иного технологического оборудования и видами веществ, участвующих в процессе.
Вместе с тем производственные процессы химической технологии имеют много общего. Большинство из них являются непрерывными, т. е. физико-химические операции, протекающие в аппаратах, а также материальные и энергетические потоки процессов не прерываются во времени.
Процессы характеризуются протеканием различных технологических операций в аппаратах, соединенных технологическими линиями последовательно.
Различные процессы включают в себя ряд однотипных операции, проводимых в технологическом оборудовании относительно ограниченной номенклатуры. Все это позволяет наметить одинаковый подход к созданию систем автоматизации различных производственных процессов химической технологии.
Любой производственный процесс протекал бы оптимально при условии его оптимального расчета, проектирования, реализации, а также стабилизации внешних условий функционирования. В действительности же, ввиду отсутствия пока методов оптимального проектирования и возможности соблюдения неизмененными условий протекания процессов, все они более или менее отличаются от оптимальных.
Каждой совокупности внешних и внутренних условий соответствует вполне определенный режим процесса, при котором достигаются те или иные производительность и качество получаемых продуктов, а также производятся те или иные материальные и энергетические затраты, необходимые для производства целевой продукции.
Вполне естественно, что из многих возможных условий существуют такие, при которых технологический режим будет наилучшим, а протекание процесса оптимальным. Поиск наилучшего режима и стабилизация его осуществляются с помощью автоматизации.
Под автоматизацией того или иного производственного процесса понимают такую его организацию, при которой все технологические операции по достижению поставленной цели осуществляются автоматически без непосредственного участия человека.
Автоматизация является высшей стадией механизации. Если механизация представляет собой такую организацию производства, при которой ручной труд заменяется машинами, управляемыми человеком, то при автоматизации управление машинами осуществляется автоматически, с помощью различных технических устройств.
Что дает автоматизация? Ответ здесь: Значение автоматизированных устройств и автоматических систем управления
Основой автоматизации являются системы автоматического управления (регулирования), служащие для поддержания одного или нескольких технологических параметров на заданном значении (постоянном или изменяющемся по тому или иному закону).
Системы управления состоят из большего пли меньшего числа элементов или подсистем (систем низшего ранга). Между этими элементами или подсистемами существуют связи, посредством которых они взаимодействуют друг с другом. Связи могут быть использованы для передачи веществ и энергии от одного элемента к другому, но не это является главным при управлении.
На первый план в системах управления выступают связи, с помощью которых отдельные элементы или подсистемы обмениваются информацией или сведениями о своем состоянии. Следовательно, можно сказать, что процессы управления являются информационными процессами, так как в них постоянно происходит получение, передача, обработка и использование информации.
Можно утверждать, что без информации не может быть управления. Одна из важнейших функций любой системы управления, от самой простой до самой сложной, заключается в том, чтобы получать информацию и действовать в соответствии с ней.
Так как любое управление является информационным процессом, то при автоматизации производства прежде всего необходимо получение сведений о ходе и результатах производственных процессов и их количественная оценка. Для этих целей создаются системы автоматического контроля.
Под автоматическим контролем понимают область автоматики, которая охватывает методы и средства, облегчающие или высвобождающие человека от наблюдения за тем или иным производственным процессом, за состоянием работы той или иной машины, аппарата, агрегата и т. д.
Под объектом контроля понимают машину, агрегат или процесс, в котором одна или несколько величин подвергаются измерению.
Автоматический контроль и автоматизация производстсва
Назначением и целью того или иного производственного процесса химической технологии является переработка сырья в соответствующую продукцию определенного количества и качества. Чтобы судить о качестве целевого продукта, необходимо характеризовать его теми или иными показателями, измеряя их.
К таким показателям могут относиться, например, плотность, вязкость, химический или фракционный состав, содержание нежелательных компонентов, концентрация целевого продукта в смеси, температура начала или конца кипения продукта и т. д.
Показатели качества следует оценивать с количественной стороны, т. е. отвечать на вопросы, «сколько?», «как они велики или малы?».
На эти же вопросы мы можем получить ответ, измеряя количество получаемых продуктов независимо от их качества или измеряя количество сырья и других материалов, поступающих на производство. О результатах производства можно судить только после того, как будут оценены количественно масса переработанной и полученной продукции, а также качество целевых продуктов с помощью их характерных показателей.
Производственные процессы протекают при тех или иных технологических режимах, которые, в свою очередь, определяются соответствующими показателями или параметрами. Этими параметрами в процессах химической технологии обычно являются температура и давление в аппаратах.
Оценивая количественно названные показатели, можно судить, в каком направлении протекает процесс. Отклонение температуры и давления от некоторых определенных значений приводит обычно к изменению количества и качества целевых продуктов.
Таким образом, оценивая количественно в ходе и в результате производственного процесса те или иные показатели, мы осуществляем контроль, т. е. проверяем соответствие числовых значений показателей другим величинам этих показателей, рассматриваемых как эталоны, как желаемые или как требуемые.
Контроль в производственных процессах необходим для осуществления целей управления. На самом деле, если мы не знаем, в каком направлении протекает процесс, контроль за изменением параметров технологического режима позволяет предвидеть отклонения в ходе процесса, а следовательно, и отклонения в качестве и количестве получаемых продуктов.
Обычно для каждого производственного процесса существует определенная совокупность значений параметров, называемая нормальным технологическим режимом, при котором количество и качество получаемых продуктов из определенного количества сырья почти неизменны.
Отклонения параметров от их значений при нормальном технологическом режиме приводят к ухудшению результатов производственного процесса. Возникает необходимость вмешательства в ход процесса с тем, чтобы тем пли иным путем привести его к нормальному технологическому режиму. Это достигается ручным способом или автоматическим воздействием на соответствующие органы управления.
Проверка соответствия режима процесса нормальному технологическому режиму производится путем контроля. В настоящее время во всех отраслях промышленности контроль за ходом производства осуществляется с помощью автоматических приборов. При этом сам контроль называется автоматическим.
Для выполнения функций контроля служат системы автоматического контроля, представляющие собой совокупность различных измерительных приборов и устройств.
Технологические измерения и контрольно-измерительные приборы химических производств
Большое место в автоматизации производственных процессов занимает автоматический контроль, т. е. получение и передача обслуживающему персоналу информации (сведений) о протекании процессов, состоянии технологического оборудования, качестве полу чаемой продукции и т. д. Без автоматического контроля не может быть автоматического управления.
Получение информации, необходимой для нормального функционирования технологических установок, осуществляется автоматически с помощью контрольно-измерительных приборов.
Ниже рассмотрены измерительные приборы и устройства, которые позволяют получать информацию о ходе производственных процессов химической технологии.
Измерение давления
В большинстве процессов химической технологии давление является одним из основных параметров, определяющих протекание этих процессов. Величиной давления определяется состояние многих веществ, например газов и паров. Технологическая аппаратура проектируется, исходя из допустимого максимального давления.
В технологических процессах химической, а также нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности приходится создавать самые различные давления, как малые, так и очень большие. Поэтому в ходе управления производственными процессами необходим непрерывный контроль за давлением в технологических аппаратах.
Измерение расхода и количества жидкостей, газов и твердых материалов
Измерение расхода и количества веществ имеет большое значение при управлении производственными процессами. Без измерения расхода и количества сырья, полуфабрикатов, реагентов, целевых продуктов невозможны соблюдение режима и правильное ведение технологических процессов.
Приборы для измерения расхода называются расходомерами. Следует помнить, что показания расходомеров характеризуют текущее или мгновенное значение расходов. Для определения суммарного расхода транспортируемого вещества за какой-то конечный промежуток времени (сутки, смену, месяц) применяются счетчики.
Измерение количества жидкостей
Количество жидкости (или газа) можно измерить также с помощью приборов, называемых счетчиками. По принципу действия счетчики подразделяются на объемные, массовые и скоростные. Для измерения количества жидкости нашли применение как объемные, так и скоростные счетчики, а для измерения количества газа — объемные.
Измерение температуры
Температура является одним из важнейших параметров, определяющих протекание многих технологических процессов. Температурными пределами процесса определяется качество получаемых продуктов, давление их паров, плотность и вязкость жидкостей и паров и т. д. От температуры зависит также химическая активность веществ, их испаряемость, растворимость и т. д.
В производственных процессах химической технологии приходится иметь дело с температурами как очень низкими, так и очень высокими. Для измерения температуры нужны соответствующие измерительные приборы. Известно, что под температурой понимают степень нагретости вещества, т. е. величину, характеризующую тепловое состояние тела с точки зрения теплообмена между ним и другими телами.
Практически все свойства тел зависят от их температуры, так как последняя связана с запасом внутренней энергии вещества. Смотрите - Методы и приборы измерения температуры
Измерение уровня жидкости и сыпучих материалов
В производственных процессах химической промышленности большое значение имеет контроль за уровнем жидкостей и твердых сыпучих материалов в технологических аппаратах, различных емкостях и в резервуарах.
Измерение уровня в технологических аппаратах позволяет контролировать наличие в них вещества, необходимого для протекания технологических процессов в требуемом направлении. Запас вещества в аппаратах должен быть вполне определенным и значительное уменьшение или увеличение его по сравнению с номинальным значением может привести к нарушению производственного процесса.
Измерение уровня в аппаратах производится обычно в относительно небольшом диапазоне его изменения, причем высокая точность при измерении не требуется. Необходимо следить лишь за тем, чтобы уровень вещества не был больше или меньше допустимых значений.
Измерение уровня в емкостях и резервуарах производится обычно с целью учета количества находящегося в них вещества. В резервуарах больших размеров приходится измерять уровень, изменяющийся в большом диапазоне. Кроме того, точность измерения уровня в емкостях и резервуарах должна быть достаточно высокой.
Количество жидкости или сыпучих материалов можно измерять в объемных и массовых единицах. При постоянном по высоте сечении емкости (резервуара) объем продукта может быть получен умножением площади поперечного сечения на значение уровня вещества, поэтому измерение объема здесь сводится к измерению уровня.
Измерение массы вещества производится путем- определения его объема и измерения плотности вещества. Умножая объем на плотность, получают массу вещества. Это умножение производят или вручную или автоматически при помощи приборов.
Для измерения уровня жидкости и твердых сыпучих веществ используются различные методы и контрольно-измерительные приборы.
Измерение влажности твердых материалов
Твердые материалы представляют собой капиллярно-пористые тела, в порах которых находится влага. Для таких материалов характерна зависимость их некоторых электрических свойств влагосодержания. Сухие твердые материалы обычно являются диэлектриками, а влажные капиллярно-пористые тела становятся проводниками электричества.
Измерение содержания воды в нефти
Нефть, поступающая на переработку, всегда содержит некоторое количество воды с растворенными в ней солями. Вода — нежелательный компонент в нефти, поэтому ее удаляют из нефти на установках обезвоживания.
При управлении обезвоживающими установками необходимо контролировать содержание воды не только в исходной, но и в обезвоженной нефти. Существует несколько методов измерения содержания воды в нефти, основанных на зависимости электрических параметров обводненной нефти от количества содержащейся в ней воды и на других зависимостях.
Определение состава и показателей качества газа или жидкостей
В химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности технологические процессы связаны с получением и переработкой различных жидких и газообразных веществ. Эти вещества, будь то сырье, промежуточные или целевые продукты, характеризуются различными показателями, с помощью которых оценивают качество соответствующих веществ.
К таким показателям относится состав или какие-либо физико-химические параметры (концентрация растворов, содержание определенных компонентов в смеси и т. д.).
Измерение состава газов сводится к определению содержания одного пли нескольких компонентов смеси (в объемн. %). Для этих целей промышленностью выпускается и широко применяется на заводах большое количество приборов, в основу действия которых полошены различные методы. Для анализа газовых смесей применяются газоанализаторы, хроматографы, масс-спектрометры и другие приборы.
Смотрите также:
Как выполняется автоматическое взвешивание на предприятиях
Датчики и измерительные приборы для определения состава и свойств веществ