Автоматизация процесса подготовки шихты

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Автоматизация процесса подготовки шихты

Автоматизация процесса подготовки шихты

1

• Оглавление
• Введение
• 1. Техническое предложение.
• 1.1 Описание технологического процесса.
• 1.1.1 Важнейшие стеклообразующие компоненты состава шихты
• 1.1.2 Требования, предъявляемые к сырьевым материалам.
• 1.1.3 Аппараты цеха подготовки шихты.
• 1.1.4 Подготовка компонентов шихты.
• 1.1.5 Приготовление шихты.
• 1.2 Существующий уровень автоматизации.
• 1.3 Возможные варианты и обоснование целесообразности выбора принятого решения.
• 2. Эскизный проект.
• 2.1 Описание технологического процесса.
• 2.2 Анализ технологического процесса как объекта управления
• 2.3 Выбор структуры системы управления и регулирования.
• 2.4 Техническое обеспечение разрабатываемой системы автоматизации.
• 3. Технический проект
• 3.1 Описание функциональной схемы автоматизации.
• 3.2. Выбор технических средств автоматизации.
• 3.3 Разработка принципиальной электрической схемы.
• 3.4 Расчет АСР.
• 3.4.1 Нахождение динамических характеристик объекта.
• 3.4.2 Расчет одноконтурной системы регулирования температуры в сушильном барабане.
• 3.4.3 Исследование одноконтурной системы на устойчивость
• 3.4.4 Расчет комбинированной АСР.
• 3.4.4.1 Определение рабочей частоты.
• 3.4.4.2 Расчет комбинированной АСР при подаче компенсирующего сигнала на вход регулятора.
• 3.4.5 Сравнение качества переходных процессов одноконтурной и комбинированной АСР.
• 3.5 Разработка схемы внешних соединений
• 4.безопасность и экологичность проекта
• 4.1 Введение
• 4.2 Анализ на соответствие требованиям безопасности и экологичности.
• 4.2.1. Анализ вредных, опасных и аварийных факторов.
• 4.2.2. Анализ экологически опасных факторов.
• 4.2.3 Анализ устойчивости функционирования.
• 4.3. Защита от вредных, опасных и аварийных факторов.
• 4.4. Обеспечение экологической безопасности.
• 4.5. Повышение устойчивости функционирования
• 4.6. Расчет подпорной вентиляции для помещения КИП и автоматики
• 4.7 Заключение.
• 5. Экономическая часть
• 5.1 Введение
• 5.2 Исходные данные для расчёта эффективности инвестиционного проекта
• 5.2.1 Смета затрат:
• 5.2.2 Стоимость приборов и средств автоматизации по оптовым ценам приобретения
• 5.3 Расчёт эффективности инвестиционного проекта
• 5.3.1 Расчёт объёма инвестиций
• 5.3.2. Расчёт изменения текущих затрат
• 5.3.3 Расчёт показателей эффективности инвестиционного проекта
• 5.4 Заключение
• Заключение
• Список используемых источников
• Приложение 1
• Оценка точности канала измерения

ВВЕДЕНИЕ

В России, как и в других промышленных государствах, стекольную промышленность причисляют к малым отраслям производства. Но все же стекольная промышленность занимает ключевую позицию, так как стекло в качестве заводского материала часто является необходимой основой для готового изделия или целой системы. Стекольная промышленность по условиям поставок тесно связана с другими отраслями промышленности.

По сравнению с другими промышленными отраслями, стекольная индустрия относится к тем областям, в которых создание материала включает его формование и обработку. Во многих других отраслях промышленности на первом плане находится или создание нового материала (например, в химической промышленности), или преобразование основы материала (например, в машиностроении). Выполняя такую двойную функцию, стекольная промышленность имеет огромное количество задач в области разработок и научных исследований.

В стекольной промышленности можно выделить следующие основные отрасли:

- производство плоского стекла;

- производство полого стекла;

- производство специального стекла;

- производство стекловолокна.

Промышленность плоского стекла, в основном, производит сегодня флоат-стекло, которое находит применение в строительном секторе и автомобильной индустрии. Особое значение придается обработке флоат-стекла для получения безопасного, изолирующего, зеркального стекла и стекла с покрытием, так как таким образом достигается значительное повышение его качества.

Промышленность полого стекла включает большую группу посудного и тарного стекла, а также хозяйственное стекло; к последней, группе можно причислить изготовителей хрустального стекла и свинцового хрусталя.

Промышленность специального стекла выпускает в основном продукцию для техники и науки; в частности, изделия для оптики, химии и светотехники, электроники, электротехники, фармацевтической и медицинской техники. Стеклокерамические материалы можно представить, в зависимости от области применения, продуктами промышленности специальных видов стекол.

К промышленности стекловолокна относятся изготовители изолирующих стекол (штапельных волокон), упрочняющих и текстильных волокон (непрерывных волокон). Изготовление стекловолокна для оптической системы связи (передачи информации) относится не к стекольной промышленности, а в соответствии с областью применения, к электронной индустрии.

Таким образом, продукция из стекла пользуется большим спросом во всех отраслях промышленности. Отсюда вытекает необходимость непрерывной оптимизации процесса стекловарения с целью достижения более высокой производительности при варке стекла, его формовании и, наконец, в улучшении свойств изделий.

Процессы оптимизации производства стекла происходят в той сфере, которая связана с множеством других областей, таких как энергетика (применение вторичного сырья (стеклобоя)), использование тепла отходящих газов (рекуперация тепла), экология (очистка воздуха и отработанных газов) и экономика производства (снижение производственных затрат), что позволяет более комплексно использовать все меры для улучшения технологических процессов.

Растущую комплексность в производстве стекла можно преодолеть путем эффективного расширения применения измерительной техники, автоматического регулирования. В настоящее время большое количество стекловаренных печей приводится в действие посредством систем управления, и автоматизация технологических процессов охватывает все сферы производства стекла.

В связи с этим модернизация производства стекла и его автоматизация являются на сегодняшний день необходимым этапом развития стекольной промышленности в России.

Кроме того, надо заметить, что производство стекла и стеклянных изделий (например, тара, посуда и т.д.), как правило, рентабельно, быстро окупаемо и, следовательно, экономически выгодно, т.к. стекло как товар не имеет срока годности.

Можно сделать вывод, что стекольная промышленность является одной из наиболее перспективных отраслей промышленности. Однако в России данная ветвь производства нуждается в дальнейшем развитии.

В Астраханской области основной производитель и поставщик стекла - ООО ПКФ «Астраханьстекло», системе автоматизации которого и посвящен данный дипломный проект.

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ

Дипломный проект выполняется на основании задания на проектирование, исходных данных и в соответствии с ними. Целью данного проекта является разработка автоматической системы управления процессом подготовки шихты в производстве стекла.

При проектировании систем автоматизации технологических процессов необходимо руководствоваться:

основными техническими направлениями в проектировании систем управления и средств автоматизации, исходя из достижений науки и техники;

результатами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ;

передовым отечественным и зарубежным опытом в области автоматизации технологических процессов;

действующими нормативными документами на проектирование систем автоматизации технологических процессов, утверждёнными в установленной форме, государственными стандартами, каталогами на приборы, средства автоматизации, монтажные изделия и т.п.;

нормами и правилами строительного проектирования, санитарными, электротехническими, противопожарными и другими требованиями.

При проектировании систем автоматизации должно обеспечиваться:

решение задач автоматизации на современном техническом уровне, а также применение прогрессивных видов оборудования и материалов;

снижение стоимости производства;

определение сметной стоимости оборудования и монтажа окончательно на всё время строительства;

определение технико-экономического эффекта от внедрения принятых в проекте решений.

Основные задачи автоматизации технологического процесса заключаются в следующем:

поддержание всех параметров процесса в установленных пределах с учётом оптимального ведения процесса в целом;

обеспечение сигнализации выхода параметров за установленные пределы;

обеспечение блокировки при недопустимом нарушении хода технологического процесса;

обеспечение возможности оперативно перейти на ручное управление при выходе из строя средств автоматизации;

распознавание и сигнализация предаварийных ситуаций.

1.1 Описание технологического процесса

1.1.1 Важнейшие стеклообразующие компоненты состава шихты

Смесь отдельных видов сырья, содержащую компоненты в определенном весовом соотношении, называют шихтой. Приготовление шихты является важным шагом в процессе производства стекла, так как постоянный состав и высокая однородность смеси способствует процессу плавления, а также воспроизводству свойств стекла. Рецептура сырья разрабатывается лабораторией в зависимости от видов производимой продукции и качественных показателей стекла.

В общем, состав шихты представляет собой смесь следующих компонентов: кварцевого песка, доломита, соды, мела, доломитовой муки, полевого шпата, селитры, содо-сульфатной смеси и стеклобоя.

В состав шихты также входят осветлители, которые добавляют к смеси в долях до 1% по массе. Они должны вывести на поверхность пузырьки газа, возникающие в расплаве. В основном, это происходит благодаря термическому разложению осветлителей.

При этом возникают газы, поднимающиеся на поверхность в форме больших пузырей, увлекая за собой маленькие газовые включения.

Самыми широко используемыми осветлителями являются As2О3 и Sb2О, отдающие при высоких температурах О2, а также Na2SO4 - сульфат натрия, высвобождающий SO2 и О2.

Добавление стеклобоя - обязательное условие получения сырья. Отходы стекла при его производстве и при дальнейшей обработке с некоторых пор в виде так называемого собственного стеклобоя вновь добавляются в шихту. Стеклобой ускоряет процесс плавки. Наряду с энергосбережением в процессе плавки, другим преимуществом использования боя стекла является экономия сырья (в частности, соды).

1.1.2 Требования, предъявляемые к сырьевым материалам

Для того, чтобы при изготовлении стекла оптимально провести процесс плавки, необходимо сделать правильный выбор сырья относительно его химического состава и распределения по величине зерен. Уже сырье должно соответствовать требованиям конечного продукта.

Из-за ошибок в составе сырья могут возникнуть не только пороки в стекле, как включения, пузырьки и шлиры, но это также отрицательно может повлиять на процесс формования.

Сырье, применяемое при производстве стекла должно отвечать следующим требованиям. Во-первых, химический состав сырьевых материалов должен быть постоянным. В составе стекла допускается только незначительное количество добавок и загрязнений. Поэтому необходим текущий контроль качества сырьевых материалов.

Распределение по величине зерен является дальнейшим важным контролем качества сырьевого материала. Более мелкие размеры зерен, то есть мелкозернистое сырье, позволяют улучшить гомогенизацию шихты и coкратить процесс плавки, так как из-за увеличения удельной поверхности реакции могут протекать быстрее. С другой стороны, тонкоизмельченное сырье ведет к увеличению потерь вследствие пыления, и газы, абсорбированные из поверхности, в процессе варки легко образуют пузырьки в стекломассе. Напротив, зерна слишком большого диаметра затрудняют скорость реакций в расплаве.

Поэтому размер зерен сырья, используемого для производства стека, должен быть в пределах 0,05-0,5 мм.

Важно также, чтобы используемые виды сырья имели одинаковые размеры зерен, так как при изготовлении шихты может начаться расслоение.

Эти вышеназванные требования, предъявляемые к стекольному сырью, могут быть легко выполнимы при использовании синтетических сырьевых материалов, на обогащение которых расходуются большие средства. Поэтому их применение достаточно дорогостоящее.

При изготовлении хозяйственного стекла по экономическим причинам преимущество отдается естественному или малообогащенному сырью. Для высококачественных специальных стекол используется исключительно синтетическое сырье, постоянное высокое качество которого должно быть гарантировано изготовителем.

1.1.3 Аппараты цеха подготовки шихты

А). Сушильный барабан песка.

Применяется для сушки сыпучих, зернистых и мелкокусковых материалов. В сушилках этого типа тепло сушильного агента передается высушиваемому материалу во вращающемся сушильном барабане. В качестве сушильного агента используется воздух или дымовые газы.

Сушильные барабаны, применяемые в стекольной промышленности, работают по принципу прямотока, т.е. материалы и горячие газы внутри барабана движутся в одном направлении. Это помогает избежать перегрева материала, так как в этом случае наиболее горячие газы соприкасаются с материалом, имеющим наибольшую влажность.

Достоинствами сушильных барабанов является высокий удельный съем продукции с 1м2 внутренней поверхности и влаги с 1м3 объема барабана, равномерная сушка материала, небольшой удельный расход топлива, недостатком - унос мелких фракций материала с отходящими газами, что вызывает необходимость установки пылеуловителей в вентиляционной системе.

Сушильный барабан имеет цилиндрический кожух. К кожуху прикреплены два бандажа на чугунных башмаках. Они служат опорой барабана и сообщают ему вращение, благодаря перекатыванию на двух парах опорных роликов. Барабан размещают таким образом, чтобы его ось была наклонена к горизонтальной плоскости на угол 3о в сторону выхода материала. Для предотвращения продольного перемещения барабана на одной из опор установлены два опорных ролика.

Барабан приводится во вращение электродвигателем через зубчатую передачу и редуктор. Число оборотов барабана обычно составляет 5-8 мин-1.

Полость барабана разделена на четыре ячейки, к стенкам которых приварены лопасти или радиальные перегородки. Для обеспечения равномерной сушки материала необходимо, чтобы периметры этих ячеек и степень их заполнения были одинаковыми. При вращении материала материал в ячейках пересыпается с лопасти на лопасть. В местах примыкания барабана к топочной и разгрузочной камерам на кожухе укреплены уплотнительные кольца.

Сырой материал поступает в барабан по трубе. Чтобы материал не попадал в топочную камеру, на входном конце барабана устанавливают направляющий конус.

При работе горячие газы, имеющие температуру 1000 - 1100оС, поступают в смесительную камеру. Смешиваясь здесь с холодным воздухом, газы при температуре 800 - 900оС направляются в барабана, прогревая сырой материал и удаляя из него влагу. На выходе из барабана газы остывают до температуры 100 - 150оС и отсасываются вентилятором, а высушенный материал поступает в разгрузочную камеру.

Объем сушильного барабана: 16м3;

Производительность сушильного барабана: 16 т/ч;

Количество влаги, удаляемой при сушке: 1280 кг/ч.

Б). Оборудование для подачи сырьевых материалов.

1. Ленточный питатель.

Предназначен для подачи мелкого сыпучего материала. Рабочим органом является прорезиненная лента, огибающая два барабана - приводной и натяжной. Рабочая ветвь ленты скользит по неподвижному настилу или опирается на опорные ролики, а нижняя часть - свободная. Боковые стороны ленты ограничены неподвижными бортами, препятствующими просыпанию материала с ленты.

Ширина ленты: 250 - 1100 мм;

Производительность : до 175 м3/с;

Скорость ленты: 0,1 - 0,35 м/с.

2. Лотковый питатель с электровибрациооным приводом.

Применяют для подачи мелкокусковых и зернистых материалов. Питатель состоит из лотка и вибровозбудителя. Вследствие вибрации лотка частицы материала, поступающего из бункера, начинают также вибрировать, образуя текучую зернистую массу.

3. Винтовой питатель.

Применяют для равномерной подачи таких материалов, как известь, уголь, песок. Питатель имеет винтовые лопасти, закрепленные на валу, установленном на подшипниках. Винт расположен в металлическом корпусе, имеющем металлическую воронку и разгрузочное отверстие. При вращении винта поступающий в корпус материал перемещается к разгрузочному отверстию и отверстию и одновременно перемешивается. Такие питатели обеспечивают равномерное и довольно точное дозирование материала. Достоинством винтовых питателей является герметичность и компактность, недостатком - быстрое изнашивание винта и корпуса.

В). Смеситель.

Решающее влияние на качество выпускаемой продукции оказывает смешивание компонентов шихты. Основная цель смешивания - получение однородной смеси различных компонентов шихты и равномерное распределение увлажняющих добавок.

В данном цеху используется тарельчатый смеситель. Он относится к машинам, в которых интенсивно смешивается несколько компонентов, что позволяет получать хорошую однородную шихту.

Смеситель смешивает порошкообразные молотые материалы в сухом состоянии с некоторым увлажнением до 5%.

Смеситель состоит из чаши, которая вращается вокруг вертикальной оси на четырех роликах, установленных на станине. Компоненты шихты загружают в бункер. Из бункера смесь поступает в чашу смесителя. До попадания смеси в чашу, включаю электродвигатель. Смешивание продолжается 3 - 4 мин, после чего готовая шихта выгружается через разгрузочное отверстие, выполненное в центре дна чаши и закрытое диском.

Чаша и два вертикальных вала, несущие по три лопасти каждый, вращаются в противоположных направлениях.

1.1.4 Подготовка компонентов шихты

Цех по приготовлению стекольной шихты ООО ПКФ «Астраханьстекло» обеспечивает управление работой дозировочно-смесительноного отделения (ДСО).

Песок некондиционный поступает в прирельсовый склад сырья в полувагонах (или автомашинах) и разгружается в приямки. Из приямков песок разгружается в закром на хранение грейферным краном. По мере необходимости грейферным краном песок подается в приемный бункер. Из бункера песок системой питателя подается в барабанную сушилку. Просушенный песок элеватором поднимается в силос ДСО.

Сода, мел, доломитовая мука, полевой шпат, селитра, содо - сульфатная смесь поставляются в прирельсовый склад сырья в вагонах типа хоппер. Из вагонов компоненты ссыпаются через решетки в приемные воронки, а затем винтовыми пневматическими насосами загружаются в силосные банки ДСО. Компоненты шихты хранятся в расходных силосах и бункерах

1.1.5. Приготовление шихты

В данном цехе производится приготовление шихты на автоматизированной весовой линии в дозировочно-смесительном отделении. В состав линии входят:

· Универсальный дозировочный комплекс для песка

· Универсальный дозировочный комплекс для соды

· Универсальный дозировочный комплекс для мела

· Универсальный дозировочный комплекс для доломита

· Универсальный дозировочный комплекс для полевого шпата

· Универсальный дозировочный комплекс для селитры

· Универсальный дозировочный комплекс для содосульфатной смеси

· Дозировочный комплекс малых компонентов

· Универсальный дозировочный комплекс для стеклобоя

· Конвейер сборочный ленточный желобчатый закрытый

· Смеситель шихты

· Система увлажнения шихты

· Элеватор ковшовый ленточный

Существующая автоматизированная система управления весовой линией приготовления шихты обеспечивает выполнение заданной циклограммы технологического процесса приготовления шихты. Время одного цикла приготовления шихты - 6 мин.

После поверки дозаторов и пуска системы в работу, начинается дозирование песка и его подача в смеситель. При поступлении первой порции песка в смеситель (40 сек от начала разгрузки дозатора песка) включается система увлажнения шихты водой, которая должна обеспечить влажность шихты 4,5±0,5%. После разгрузки песка и его увлажнения начинается разгрузка остальных компонентов. Время перемешивания принимается 4 минуты. По окончании перемешивания открывается разгрузочная заслонка смесителя. Время разгрузки смесителя 60 секунд, после чего заслонка закрывается, смеситель готов к приему следующей порции.

Из смесителя через промежуточный бункер и питатель вибрационный, шихта ссыпается на ленточный конвейер, на который с заданным соотношением дозируется дозировочными комплексами собственный и привозной стеклобой. С конвейера смесь шихты и стеклобоя ссыпается в элеватор, поднимающий ее к бункеру запаса. Из бункера смесь через питатель вибрационный ссыпается в элеватор. С элеватора поток направляется на конвейер.

Далее смесь шихты и стеклобоя системой ленточных конвейеров и сбрасывателей распределяется по бункерам загрузчиков шихты стекловаренной печи.

Заданная мощность составного цеха - 480 т шихты в сутки, из них 50 т стеклобоя.

1.2 Существующий уровень автоматизации

Существующая система автоматизации в значительной степени не отвечает современным требованиям автоматизации. Прежде всего, в ней используются морально и физически устаревшие приборы. Сегодня применение таких приборов не является оправданным, так как существуют более совершенные и надежные электронные приборы.

Кроме того, в данном цехе регулирование параметров производится, как правило, по одноконтурной схеме, единый технологический процесс рассматривается как набор большого числа обособленных друг от друга параметров, хотя для эффективного протекания процесса, необходимо учитывать сложившуюся технологическую обстановку. И несмотря на то, что в систему управления введен программируемый контроллер, его возможности используются не полностью. Только управляющий вычислительный комплекс, органично вовлеченный во весь процесс управления может связать его воедино: осуществлять функции сбора и первичного преобразования информации, регулирования технологических параметров, блокировки и передачи информации о состоянии объекта управления в ЭВМ.

Введение распределенной автоматизированной системы управления технологическим процессом на базе программируемого контроллера позволит осуществлять управление процессом с учётом всех параметров в единой совокупности. Появляется возможность отслеживать предаварийные и аварийные ситуации не только по предельным значениям отдельных параметров, но и по некоторым опасным комбинациям значений параметров.

Введение в систему управления ЭВМ позволяет не только эффективно обрабатывать информацию, но и передавать её в верхние уровни системы.

1.3 Возможные варианты и обоснование целесообразности выбора принятого решения

Для нормального протекания технологического процесса необходимо регулирование его основных параметров. Проектом предусматриваются следующие контуры регулирования:

1. Для поддержания уровня песка в силосе песка используем одноконтурную систему регулирования, так как высокой точности поддержания параметра не требуется. В качестве регулирующего воздействия выбираем изменение расхода песка, направляемого на сушку.

2. Для регулирования температуры сушки песка используем комбинированную систему управления. Введение данной системы позволяет осуществлять регулирование с большой точностью и учитывать возмущения: температуру и влажность песка, поступающего на сушку. В качестве регулирующего воздействия выбираем изменение расхода топливного газа, поступающего для горения.

3. Для регулирования концентрации отходящих дымовых газов на выходе из сушильного барабана используем каскадную систему регулирования, т.к. регулирование должно осуществляться с большой точностью, минимальными динамическими отклонениями и отсутствием статической ошибки регулирования. Корректирующим (внешним) регулятором является регулятор концентрации отходящих дымовых газов, а стабилизирующим (внутренним) - регулятор соотношения “воздух/топливный газ”. В качестве регулирующего воздействия выбираем изменение расхода воздуха, поступающего на горение в сушильный барабан.

4. Для регулирования влажности высушиваемого песка на выходе из сушильного барабана используем одноконтурную систему регулирования, так как данный параметр может регулироваться достаточно точно и одноконтурной системой. В качестве регулирующего воздействия выбираем изменение расхода воздуха, поступающего на сушку.

5. Для поддержания необходимого разряжения в сушильном барабане песка используем комбинированную систему регулирования, компенсирующую изменение расхода воздуха, поступающего на сушку. Регулирующее воздействие - изменение количества отводимых дымовых газов.

6. Для поддержания уровня соды, мела, доломитовой муки, полевого шпата, содо-сульфатной смеси в силосах используются одноконтурные системы регулирования, так как высокой точности поддержания параметра не требуется. В качестве регулирующего воздействия выбираем изменение подачи материала по пневмотранспорту.

7. Для поддержания уровня песка в бункере запаса шихты используем одноконтурную систему регулирования. В качестве регулирующего воздействия выбираем изменение расхода компонентов шихты, поступающих в смеситель.

8. Для поддержания уровня шихты в бункерах над загрузчиками используем одноконтурную систему регулирования. В качестве регулирующего воздействия выбираем изменение расхода шихты из бункера запаса шихты.

Для нормального протекания технологического процесса необходимо, чтобы при выходе значений параметров за допустимые нижний и верхний пределы изменения срабатывала блокировка. Проектом предусматривается блокировка в следующих случаях:

1. При понижении/повышении значения давления топливного газа до нижнего/верхнего аварийного уровня срабатывает отсекатель на линии подачи газа, прекращается подача воздуха на сушку и горение, прекращается отвод дымовых газов из сушильного барабана и подача песка на сушку, останавливается система элеваторов и транспортеров подачи песка в силос, закрывается заслонка силоса песка и бункера песка, отключается привод сушильного барабана и вибропитателя.

2. При понижении/повышении значения давления воздуха, подаваемого на горение, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается дутиевой вентилятор, нагнетающий воздух в сушильный барабан, срабатывает отсекатель на линии подачи газа, прекращается подача воздуха на сушку, прекращается отвод дымовых газов из сушильного барабана и подача песка на сушку, останавливается система элеваторов и транспортеров подачи песка в силос, закрывается заслонка силоса песка и бункера песка, отключается привод сушильного барабана и вибропитателя.

3. При понижении/повышении значения давления воздуха, подаваемого на сушку, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается дутиевой вентилятор, нагнетающий воздух в сушильный барабан, срабатывает отсекатель на линии подачи газа, прекращается подача воздуха на горение, прекращается отвод дымовых газов из сушильного барабана и подача песка на сушку, останавливается система элеваторов и транспортеров подачи песка в силос, закрывается заслонка силоса песка и бункера песка, отключается привод сушильного барабана и вибропитателя.

4. При понижении/повышении значения давления отводимых дымовых газов до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается вытяжной вентилятор, отсасывающий воздух из сушильного барабана, срабатывает отсекатель на линии подачи газа, прекращается подача воздуха на сушку и горение, подача песка на сушку, останавливается система элеваторов и транспортеров подачи песка в силос, закрывается заслонка силоса песка и бункера песка, отключается привод сушильного барабана и вибропитателя.

5. При отсутствии/погасании пламени в топке сушильного барабана песка производится срабатывание отсекателя на линии подачи газа, прекращается подача воздуха на сушку и горение, прекращается отвод дымовых газов из сушильного барабана и подача песка на сушку, останавливается система элеваторов и транспортеров подачи песка в силос, закрывается заслонка силоса песка и бункера песка, отключается привод сушильного барабана и вибропитателя.

6. При аварийном снижении скорости движении транспортеров, элеваторов, контроля аварийного проскальзывания ленты транспортера останавливается все предыдущее оборудование, производится отключение подачи газа, воздуха, прекращается отвод дымовых газов из сушильного барабана и подача песка на сушку, происходит закрытие заслонок силосов, бункеров и смесителей.

7. При понижении/повышении значения давления в пневмотранспорте, доставляющем соду в силос, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается насос, загружающий соду в силос.

8. При понижении/повышении значения давления в пневмотранспорте, доставляющем соду в силос, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается насос, загружающий соду в силос.

9. При понижении/повышении значения давления в пневмотранспорте, доставляющем мел в силос, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается насос, загружающий мел в силос.

10. При понижении/повышении значения давления в пневмотранспорте, доставляющем доломитовую муку в силос, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается насос, загружающий доломитовую муку в силос.

11. При понижении/повышении значения давления в пневмотранспорте, доставляющем полевой шпат в силос, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается насос, загружающий полевой шпат в силос.

12. При понижении/повышении значения давления в пневмотранспорте, доставляющем селитру в силос, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается насос, загружающий селитру в силос.

13. При понижении/повышении значения давления в пневмотранспорте, доставляющем содо-сульфатную смесь силос, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается насос, загружающий содо-сульфатную смесь в силос.

2. ЭСКИЗНЫЙ ПРОЕКТ

На основании технического предложения разработан эскизный проект автоматической системы управления процессом подготовки шихты в производстве стекла.

2.1 Описание технологического процесса

Песок некондиционный поступает в прирельсовый склад сырья в полувагонах (или автомашинах) и разгружается в приямки. Из приямков песок разгружается в закром на хранение грейферным краном. По мере необходимости грейферным краном песок подается в приемный бункер. Из бункера песок системой качающегося питателя подается в барабанную сушилку.

На первый взгляд, процесс сушки песка выглядит совершенно лишним (при том, что на него расходуется газ), поскольку, когда готовится шихта, его приходится опять увлажнять. Но непросушенный песок невозможно просеять и очистить. Различные же примеси, если их не удалить, могут испортить конечную продукцию.

Сырой песок влажностью до 7% (значение влажности песка колеблется в зависимости от времени года и погодных условий) поступает на сушку. До момента загрузки песка включается привод сушильного барабана, и он приводится во вращение. В топку сушильного барабана подается топливный газ и воздух для горения. Расход газа составляет примерно 147 м3/ч, расход воздуха - 1696 нм3/ч. При работе горячие газы, имеющие температуру 1000 - 1100оС, поступают в смесительную камеру, куда дополнительно нагнетается воздух для сушки. Смешиваясь здесь с холодным воздухом, газы остывают до температуры 800 - 900оС и направляются в барабан, прогревая сырой материал и удаляя из него влагу. На выходе из барабана газы остывают до температуры 100 - 150оС и отсасываются вентилятором, а высушенный материал, нагретый до температуры 50-60оС поступает в разгрузочную камеру. Влажность высушенного песка составляет примерно 0,5%.

Просушенный песок системой элеватора и конвейера, проходя через железоотделитель, поднимается в силос песка ДСО (дозировочно смесительное отделение).

Сода, мел, доломитовая мука, полевой шпат, селитра, содо-сульфатная смесь поставляются в прирельсовый склад сырья в вагонах типа хоппер. Из вагонов компоненты ссыпаются через решетки в приемные воронки, а затем пневмотранспортом загружаются в силосные банки ДСО. Компоненты шихты хранятся в расходных силосах и бункерах.

Автоматизированная система управления весовой линией приготовления шихты обеспечивает выполнение заданной циклограммы технологического процесса приготовления шихты. Время одного цикла приготовления шихты - 6 мин.

После поверки дозаторов и пуска системы в работу, начинается дозирование песка и его подача в смеситель. При поступлении первой порции песка в смеситель (40 сек от начала разгрузки дозатора песка) включается система увлажнения шихты водой, которая должна обеспечить влажность шихты 4,5±0,5%. После разгрузки песка и его увлажнения начинается разгрузка остальных компонентов. Время перемешивания принимается 4 минуты. По окончании перемешивания открывается разгрузочная заслонка смесителя. Время разгрузки смесителя 60 секунд, после чего заслонка закрывается, смеситель готов к приему следующей порции.

Из смесителя через промежуточный бункер и питатель вибрационный, шихта ссыпается на ленточный конвейер, на который с заданным соотношением дозируется дозировочными комплексами собственный и привозной стеклобой. С конвейера смесь шихты и стеклобоя ссыпается в элеватор, поднимающий ее к бункеру запаса. Из бункера смесь через питатель вибрационный ссыпается в элеватор. С элеватора поток направляется на конвейер.

Далее смесь шихты и стеклобоя системой ленточных конвейеров и сбрасывателей распределяется по бункерам загрузчиков шихты стекловаренной печи.

2.2 Анализ технологического процесса как объекта управления

В составном цехе подготовки шихты аппаратом с непрерывным регулированием является сушильный барабан песка.

Основным регулируемым параметром в барабане является температура сушки песка. Перед системой автоматизации процесса сушки стоит задача поддержания на заданных значениях и ряда других регулируемых параметров:

· разрежение в топке сушильного барабана

· влажность высушиваемого материала;

· качество сгорания топлива.

Поддержание выше перечисленных параметров на заданных значениях осуществляется изменением следующих регулирующих параметров.

Регулирование температуры в сушильном барабане осуществляется путём изменения подачи газа на горелки.

Разрежение в топке регулируется изменением количества отходящих дымовых газов.

Влажность высушиваемого материала регулируется изменением количества воздуха, подаваемого на сушку.

Качество сгорания топлива регулируется изменением количества воздуха, подаваемого на горение.

Качественному регулированию процесса препятствует наличие возмущающих воздействий:

Возмущающие измеряемые величины:

· параметры газа (давление, температура, влажность);

· параметры воздуха (давление, температура, влажность);

· влажность и температура сырья.

Возмущающие неизмеряемые параметры:

· состав газа;

· состав сырья.

Наиболее влиятельными возмущениями являются влажность и температура сырья, поступающего на сушку. Эти параметры не является регулируемыми. Но их можно измерять и учитывать изменение при регулировании.

2.3 Выбор структуры системы управления и регулирования

В данном проекте предлагается следующая структура АСУ ТП.

На первом уровне предлагается установить локальные средства автоматизации и микроконтроллеры, которые получают информацию сразу о нескольких параметрах состояния объекта. Используя встроенный язык программирования в микроконтроллере можно реализовать любые самые сложные алгоритмы управления. На этом уровне происходит первичная обработка информации и формирование некоторых интегральных показателей, таких как количество используемого сырья и т.д.

На втором уровне располагается ЭВМ. На этот уровень возложены функции индикации и регистрации. На этом уровне происходит так же формирование законов регулирования для микроконтроллеров первого уровня. Подключённые к ЭВМ устройства ввода и вывода (в минимальной конфигурации клавиатура и монитор) образуют автоматизированное рабочее место оператора. ЭВМ позволяет оператору осуществлять ручное управление процессом. На втором уровне происходит вторичная обработка информации, идентификация предаварийных ситуаций и их сигнализация. На второй уровень также возложены функции взаимосвязи с другими АСУ ТП.

Для проектируемой АСУ ТП основными являются технико-экономические задачи:

экономия топлива, сырья и материалов;

снижение себестоимости продукции;

повышение качества продукции;

достижение оптимальной загрузки технологического оборудования;

обеспечение безопасности функционирования объекта;

оптимизация режимов работы технологического оборудования.

Современные системы автоматизации строятся в виде многоступенчатых структур, последовательно осуществляющих все необходимые функции контроля и управления.

При этом на первой ступени обеспечивается управление отдельными агрегатами, установками и участками преимущественно посредством локальных систем контроля и управления и систем управления с применением микропроцессоров и ЭВМ.

На второй ступени обеспечивается обслуживание самостоятельных производственных комплексов, производств, линий, участков, цехов, связанных между собой общностью технологического процесса. На этой ступени системы управления с применением ЭВМ обеспечивают координацию работы подчинённых производственных единиц, распределение нагрузок между параллельно работающими установками, оптимизацию заданных показателей работы посредством воздействия на местные системы управления.

На следующей высшей ступени управления система автоматизации обеспечивает решение сложных задач по координации работы всех производственных и вспомогательных подразделений технологического объекта, распределению нагрузок и обеспечению оптимизации работы предприятия. Решение этих задач связано с рациональной организацией текущего и перспективного планирования, с учётом и анализом производственной деятельности предприятия и т.д.

Разрабатываемая АСУ ТП будет выполнять задачи, характерные для первой и второй ступеней управления.

Возможно несколько вариантов реализации АСУ ТП.

АСУ ТП, реализующая ручной режим, при котором комплекс технических средств выполняет информационные функции централизованного контроля и вычисления комплексных технических и технико-экономических показателей. Выбор и осуществление управляющих воздействий производит человек (оператор).

АСУ ТП, реализующая режим «советчика», при котором комплекс технических средств на основе анализа исходной информации разрабатывает рекомендации (советы) по управлению и осуществляет поиск оптимальных решений, а решение об их использовании принимается и реализуется оперативным персоналом.

АСУ ТП, реализующая автоматический режим, при котором комплекс технических средств реализует управляющие функции. Целью этих функций является автоматическая выработка и осуществление управляющих воздействий на технологический объект управления. При этом различают режим супервизорного управления, когда средства управляющего вычислительного комплекса автоматически изменяют уставки и параметры настройки локальных регулирующих устройств вблизи точки оптимального ведения процесса, и режим прямого, непосредственного цифрового управления, когда управляющий вычислительный комплекс формирует воздействие непосредственно на исполнительные механизмы, а регуляторы вообще исключаются из схемы управления.

Разрабатываемая АСУ ТП будет работать в автоматическом режиме и объединит:

1). Локальные средства автоматизации, установленные непосредственно на технологическом оборудовании и коммуникациях и осуществляющие сбор, первичное преобразование информации и передачу ее в измерительные преобразователи-контроллеры;

2). Преобразователи-контроллеры первого уровня, предназначенные для сопряжения ЭВМ с объектом и реализации законов регулирования. Эти контроллеры имеют блочную структуру и позволяют подключать модули аналогового и дискретного ввода и вывода, модули для подключения термопар. Рабочие диапазоны настраиваются программным путем. Программируемость этих контроллеров позволяет реализовывать на них любые законы регулирования, при этом ресурсы ЭВМ вышестоящего уровня высвобождаются для решения других задач. Все микроконтроллеры подключаются к ЭВМ посредством унифицированного интерфейса обмена данными.

3). Электронно-вычислительную машину второго уровня, выполняющую функции индикации, регистрации, управления, идентификации и сигнализации предаварийных ситуаций. В качестве ЭВМ предлагается использовать промышленную рабочую станцию. Такие машины предназначены для эксплуатации в цеховых условиях, имеют достаточную вычислительную мощность и высокую надежность. Открытая архитектура позволяет подключать практически любое количество внешних преобразователей, что очень важно для возможного расширения системы. Подключенные к ЭВМ устройство ввода и вывода (в минимальной конфигурации клавиатура и принтер) образуют автоматизированное рабочее место оператора, и позволяют оператору осуществлять ручное управление процессом.

Предлагаемая автоматизированная система управления технологическим процессом позволит решать все требуемые задачи автоматизации.

Структура АСУ приведена в документе ДП-210200-833-2005 А1.

2.4 Техническое обеспечение разрабатываемой системы автоматизации

В данной системе управления используется микроконтроллер Octagon Systems 6440. Задачи, решаемые контроллером:

· Сбор информации с датчиков различных типов и ее первичная обработка (фильтрация сигналов, линеаризация характеристик датчиков и т.п.);

· Выдача управляющих воздействий на исполнительные органы различных типов;

· Контроль технологических параметров и аварийная защита многофункционального оборудования;

· Обмен данными в распределенных системах, обмен данными с другими контроллерами;

· Обслуживание оператора-технолога, прием и исполнение команд, аварийная, предупредительная и рабочая сигнализация, индикация значений прямых и косвенных параметров, передача значений параметров и различных сообщений на панель оператора и в SCADA - систему верхнего уровня.

Этот контроллер имеют блочную структуру и позволяют подключать модули для аналогового ввода/вывода, модули для подключения термопар и термопреобразователей сопротивления, модули цифрового ввода/вывода, релейные модули, плату последовательного интерфейса RS232/485. Рабочие диапазоны настраиваются программным путём. Программируемость этих контроллеров позволяет реализовывать на них любые, самые сложные законы регулирования, при этом ресурсы рабочей станции вышестоящего уровня высвобождаются для решения других задач. Управление объектом производится прикладной программой, хранящейся в энергонезависимой памяти контроллера. При этом контроллер подключен к сети Ethernet, что позволяет вычислительному устройству верхнего уровня иметь доступ к значениям входных и выходных сигналов контроллера и значениям рабочих переменных прикладной программы, а также воздействовать на эти значения. Открытая архитектура позволяет подключать практически любое количество внешних преобразователей, что очень важно для возможного расширения системы. Для повышения надежности системы предусмотрено наличие резервного контроллера, работающего в режиме горячего резервирования с основным контроллером.

3. ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ

На основании эскизного проекта разработана функциональная схема автоматической системы управления процессом подготовки шихты.

Для управления технологическим процессом подготовки шихты используем программируемый контроллер, предназначенный для построения территориально распределенных систем сбора данных и управления, обеспечивающий выполнение следующих функций: аналоговый ввод-вывод, дискретный ввод-вывод, первичное преобразование информации, прием команд от удаленной вычислительной системы, передача в ее адрес преобразованных данных, управление процессом. Программируемый контроллер обозначен на схеме поз. 1-2. Все входные сигналы обрабатываются одним программируемым контроллером с передачей данных на ЭВМ для их индикации, регистрации, сигнализации, дистанционного управления.

Основным технологическим параметром подготовки шихты является температура сушки песка. Отклонение данного параметра от заданного значения вызывается изменением температуры и влажности песка, поступающего на сушку. Эти изменения являются наиболее влияющими возмущениями, поэтому регулирование осуществляется с помощью комбинированной системы автоматического регулирования.

Сигнал с измерительного преобразователя температуры поз. 1-1 поступает на контроллер поз. 1-2 через модуль аналогового ввода на программно реализованный регулятор температуры и в ЭВМ, где осуществляется индикация значения температуры.

Влажность песка в бункере песка измеряется преобразователем влажности поз. 2-1, 2-2. Сигнал с измерительного преобразователя поступает через модуль аналогового ввода в контроллер поз. 1-2 в реализованный программным путем блок компенсации и в ЭВМ, где осуществляется индикация измеряемого значения влажности. С блока компенсации сигнал поступает на регулятор температуры.

Температура песка в бункере песка измеряется преобразователем температуры поз. 3-1. Сигнал с измерительного преобразователя поступает через модуль аналогового ввода в контроллер поз. 1-2 в реализованный программным путем блок компенсации и в ЭВМ, где осуществляется индикация измеряемого значения температуры. С блока компенсации сигнал поступает на регулятор температуры.

Выработанный регулятором температуры сигнал управления поступает через модуль импульсного вывода на пускатель поз. 1-3 и далее на исполнительный механизм регулирующего клапана на газопроводе поз. 1-5.

Для регулирования концентрации отходящих дымовых газов на выходе из сушильного барабана используем каскадную систему регулирования. Корректирующим (внешним, основным) регулятором является регулятор концентрации отходящих дымовых газов, а стабилизирующим (внутренним) - регулятор соотношения “воздух/топливный газ”. В качестве регулирующего воздействия выбираем изменение расхода воздуха, поступающего на горение в сушильный барабан.

Концентрация кислорода в отходящих из сушильного барабана дымовых газах измеряется газоанализатором поз.4-1, 4-2. Сигнал текущего значения концентрации кислорода, содержащегося в дымовых газах, с газоанализатора поступает через модуль аналогового ввода на контроллер поз. 1-2. в реализованный программным путем основной регулятор концентрации и в ЭВМ, где осуществляется индикация измеряемого значения.

Измерение расхода газа осуществляется измерительным преобразователем расхода поз. 5-1, 5-2. Сигнал текущего значения расхода поступает в контроллер поз. 1-2 на программно реализованный вспомогательный регулятор и в ЭВМ, где осуществляется индикация значения расхода. Сюда же поступает сигнал с измерительного преобразователя расхода воздуха, подаваемого на горение, поз. 6-1, 6-2. Выработанный основным регулятором сигнал поступает на вход вспомогательного регулятора. Сигнал управления с вспомогательного регулятора поступает через модуль импульсного вывода на пускатель поз. 6-3 и далее на исполнительный механизм регулирующего клапана на трубопроводе воздуха поз. 6-5.

Регулирование влажности песка в разгрузочной камере сушильного барабана песка осуществляется одноконтурной системой регулирования. Влажность песка измеряется преобразователем влажности поз. 7-1, 7-2. Сигнал с измерительного преобразователя поступает через модуль аналогового ввода в контроллер поз. 1-2 в реализованный программным путем регулятор влажности и в ЭВМ, где осуществляется индикация измеряемого значения влажности. С регулятора сигнал поступает через модуль импульсного вывода на пускатель поз. 7-3 и далее на исполнительный механизм регулирующего клапана на трубопроводе воздуха для сушки поз. 7-5.

Для поддержания необходимого разряжения в сушильном барабане песка используем комбинированную систему регулирования, компенсирующую изменение расхода воздуха, поступающего на сушку. Регулирующее воздействие - изменение количества отводимых дымовых газов.

Измерение разрежения в сушильном барабане осуществляется измерительным преобразователем разрежения поз. 18-1. Сигнал с преобразователя поступает через модуль аналогового ввода на контроллер поз. 1-2 на реализованный программным путем регулятор давления и в ЭВМ для индикации значения давления.

Сигнал, пропорциональный расходу воздуха, с измерительного преобразователя поз. 9-1, 9-2 поступает через модуль аналогового ввода в контроллер поз. 1-2 на реализованный программным путем блок компенсации и в ЭВМ, где осуществляется индикация измеряемого значения температуры. С блока компенсации сигнал поступает на регулятор давления. Сигнал управления с регулятора поступает через модуль импульсного вывода на пускатель поз. 8-2 и далее на исполнительный механизм регулирующего клапана на трубопроводе воздуха поз. 7-5.

Регулирование уровня песка в силосе осуществляется одноконтурной системой автоматического регулирования. Уровень измеряется преобразователем уровня поз. 10-1, 10-2. Сигнал текущего значения уровня поступает через модуль аналогового ввода в контроллер поз. 1-2 на программно реализованный регулятор уровня и в ЭВМ, где осуществляется индикация этого значения. Выработанный регулятором уровня сигнал управления поступает через модуль импульсного вывода на пускатели поз. 10-5 - 10-25, запускающие приводы транспортеров, элеваторов, сушильного барабана, вентиляторов, качающегося питателя, виброднища бункера песка и исполнительного механизма заслонок бункера песка и силоса песка поз. 10-24 и 10-7 соответственно.

Регулирование уровня соды в силосе осуществляется одноконтурной системой автоматического регулирования. Уровень измеряется преобразователем уровня поз. 18-1, 18-2. Сигнал текущего значения уровня поступает через модуль аналогового ввода в контроллер поз. 1-2 на программно реализованный регулятор уровня и в ЭВМ, где осуществляется индикация этого значения. Выработанный регулятором уровня сигнал управления поступает через модуль импульсного вывода на пускатель поз. 18-3, запускающие приводы пневмотранспорта, подающего соду в силос.

Аналогично осуществляется регулирование уровня в силосах мела, доломитовой муки, полевого шпата, селитры и содо-сульфатной смеси.

Регулирование уровня шихты в бункере запаса осуществляется одноконтурной системой автоматического регулирования. Уровень измеряется преобразователем уровня поз. 20-1, 20-2. Сигнал, пропорциональный текущему значению уровня поступает через модуль аналогового ввода в контроллер поз. 1-2 на программно реализованный регулятор уровня и в ЭВМ, где осуществляется индикация этого значения. Выработанный регулятором уровня сигнал управления поступает через модуль импульсного вывода на пускатели, запускающие приводы транспортеров, смесителей, качающихся питателей, шнековых питателей и исполнительных механизмов заслонок силосов и смесителей поз. 20-3-20-21 и поз. 21-5-21-48.