Автоматизация блока подготовки древесной щепы в производстве химико-термомеханической массы

Проведем сравнительную характеристику двух интеллектуальных клапанновых контроллеров серии Neles фирмы MetsoAutomation: NDX2511 и ND9000. Сведём технические данные в единую таблицу 5.3 Таблица 5.3 – Технические характеристики NDX2511 и ND9000ПараметрNDX2511ND9000Входной сигнал4-20 мА / Hart4 - 20 мА или 0-100%Пневматический приводДвустороннего действияОдностороннего/ДвустороннегодействияПневматическаямощность80 Нм3/ч50 Нм3/чДавлениепитания1.4 - 8 бар1.4 - 8 барДиапазонтемператур-40…+85 ºС-40…+85 ºСВ качестве электропневматического позиционера выбираем Neles NDX2511. Цифровой позиционер Neles NDX предназначен для любых типов клапанов в различных областях применения, независимо от отрасли. Данное устройство обеспечивает надежность и безотказность в работе, в то же время отличаясь удобством монтажа и эксплуатации. Оптимизированная работа на линейных клапанахПревосходные возможности по диагностике и хранению данныхВозможность локальной и удаленной настройкиПростота интерпретации данных диагностикиНизкий расход воздухаНадежная и прочная конструкцияВозможность самодиагностики устройстваДиагностика в режиме реального времени, диагностика рабочих параметров и передачи данныхОписание интеллектуальногоклапаннового позиционераND9100HND910H с передачей данных HARTКлапанный контроллер применяется как с поршневыми, так и с мембранными пневматическими приводами для поворотных и линейных клапанов. Базой интеллектуального клапаннового позиционера ND9100Hявляется микроконтроллер с питанием 4-20 мА. Контроллер работает даже при входном сигнале 3,6 мА, передача данных осуществляется через HART. Прибор имеет локальный интерфейс пользователя для настройки на местах. К ND9100H или контуру управления можно подсоединить компьютер с программой FieldCare.Мощный 32-битовый микроконтроллер регулирует положение клапана, проводя измерения: входного сигнала, положения клапана с помощью бесконтактного сенсора, давления питания, положениезолотникового клапана, температуры прибора. Рис. 5.1 – Интеллектуальный клапанновый позиционерПринцип действия позиционера представлен на рис. 5.2 Рис. 5.2 – Принцип действия позиционера ND9100HУсовершенствованная самодиагностика гарантирует качество проведения изменений. Если изменения входного сигнала и положения проводятся правильно, то сбой в одном измерении не приведёт к сбою в работе клапана . После подключения электрического сигнала и давления питания микроконтроллер ( UC ) следит за входным сигналом, сенсором положения ( a ), сенсорами давления ( Ps, P1, P2) и сенсором положения золотника ( SPS). Контрольный алгоритм в микроконтроллере определяет разницу между входным сигналом и измерениями сенсора положения ( a ) . Исполнительный механизмВыберем пневматический исполнительный механизм MetsoAutomation серии B1С двустороннего действия. Приводы данной серии являются пневматическими поршневыми приводами, предназначенными для регулирования и отсечки. Привод типа В1С сконструирован для выполнения функций регулирования и отсечки с поворотом на четверть оборота. Поршневой привод двухстороннего действия имеет пневматическое управление. Области применения: Например, клапаны с поворотом на четверть оборота. Для защиты от гидроударов и регулирования рециркуляции в компрессорах. Сдвоенные приводы оборудованы рычажным механизмом. Основные технические характеристики приведены в таблице 7.Таблица 5.4 – Технические характеристики пневматического поршневого привода B1J12Наименование параметраЗначение параметраМаксимальное давление питания850 кПаТемпература окружающей среды-20…+700СНоминальный момент при максимальном давлении питания:300 Нм (B1J12)Рабочийобъём3,6 л (B1J12)Массакг (B1J12) РегулирующийорганПроведем сравнительную характеристику двух регулирующих органов серии Neles: сегментный клапан серии R и дисковую заслонку серии LW. Сведём технические данные регулирующих органов в единую таблицу 8.Таблица 5.5 – Технические характеристики сегментного клапана Neles серии R и дисковой заслонки серии LWПараметрNeles серии RNeles серии LWКонструкция корпусаФланцевые/ межфланцевыеБезфланцевыеКласс давления корпусаPN 10-40 / ASME, класс 150-300PN 10-40ДиапазонразмеровDN 25-800 / 1’’ -32’’DN 80-1000Диапазонтемператур-50…+425 ºС-200…+600 ºСВ качестве регулирующего органа возьмем регулирующий клапан сегментный серии R. Это экономичные и высокопроизводительные регулирующие клапаны для жидкости, газа, пара и пульпы, гарантирующие высокую пропускную способность и широкий диапазон регулирования. Клапаны серии R отличаются небольшим весом, низким крутящим моментом и производятся в диапазоне размеров от 1" до 32".5.3Разработка технической структуры АСУТПВ зависимости от количества сигналов необходимо выбрать количество модулей ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов.В таблице 5.6 и 5.7 представлены аналоговые сигналы ввода и вывода:Таблица 5.6 – Аналоговые сигналы ввода№ п/пНаименование технологическогопараметраВид сигналаКол-во1Уровень щепы в бункере пропарки 26-2064-20 мА12Температура выпускаемого пара в бункере пропарки 26-2064-20 мА13Скорость винта загрузки щепы в бункер пропарки 26-2064-20 мА14Скорость шнекового питателя пропиточной установки 26-2074-20 мА15Расход пара в бункер пропарки 26-2064-20 мА16Температура щепы в бункере пропарки 26-2064-20 мА17Температура воды/химических продуктов в пропиточной установке 26-2084-20 мА18Уровень щепы в пропиточной установке 26-2084-20 мА19Расход воды к пропиточной установке 26-2084-20 мА110Расход химических продуктов к пропиточной установке 26-2084-20 мА1Количество аналоговых входных сигналов 10, с учетом 15% резерва количество аналоговых входных сигналов составит 12.Таблица 5.7 – Аналоговые сигналы вывода№ п/пНаименование технологическогопараметраВид сигналаКол-во1Регулирование уровня щепы в бункере пропарки 26-2064-20 мА12Регулирование скорости винта загрузки щепы в бункер пропарки 26-2064-20 мА13Регулирование скорости шнекового питателя пропиточной установки 26-2074-20 мА14Регулирование расхода пара в бункер пропарки 26-2064-20 мА15Регулирование температуры щепы в бункере пропарки 26-2064-20 мА16Регулирование уровня щепы в пропиточной установке 26-2084-20 мА17Регулирование расхода химических продуктов к пропиточной установке 26-2084-20 мА1Количество аналоговых выходных сигналов 7, с учетом 15% резерва количество аналоговых выходных сигналов составит 9.В таблицах 5.8 и 5.9 представлены дискретные сигналы ввода и выводаТаблица 5.8 – Дискретные сигналы ввода№ п/пНаименование оборудования ипараметровВид сигналаКол-во1Ограничительный выключатель наверху бункера пропарки щепы 26-206 24 В12Датчик нулевой скорости вращения винта загрузки бункера пропарки щепы26-206 24 В13Клапан, смывающий остатки в шнековом питателе 26-207 24 В14Клапан химического пропитывания в пропиточной установке 26-208 24 В15Датчик нулевой скорости поворота винта пропиточной установки 26-208 24 В16Датчик нулевой скорости поворота винта пропиточной установки 26-208 24 В17Датчик нулевой скорости движения винтового транспортёра 26-209 24 В1Количество дискретных входных сигналов 7, с учетом 15% резерва количество дискретных входных сигналов составит 9.Таблица 5.9 – Дискретные сигналы вывода№ п/пНаименование оборудованияВид сигналаКоличество1Управление разгружающим шнеком 24 В12Управление уплотнительным шнеком 24 В13Управление вкл. и выкл. вертикальным лев.шнеком 24 В14Управление вкл. и выкл. вертикальным прав.шнеком 24 В1Количество дискретных выходных сигналов 4, с учетом 15% резерва количество дискретных выходных сигналов составит 6.Существующая система автоматизации организована на базе технических средств системы CENTUM CS3000 фирмы YOKOGAWA (Япония) содержит следующие компоненты:Нижний уровень, реализован базе станций управления (СУ);Верхний уровень, реализован на базе операторской станции;Сеть управления, реализована на базе резервированной сети V-net.Технические средства нижнего уровня.Станции управления обеспечивают реализацию следующих функций:Сбор и обработку информации, поступающей от аналоговых и дискретных датчиков объекта управления, диагностику каналов ввода;реализацию алгоритмов логического управления и регулирования;выдачу управляющих воздействий на дискретные и пропорциональные исполнительные механизмы, диагностику выходных каналов, диагностику работоспособности линий связи, функционирование программ управления;реализация алгоритмов автоматической защиты и блокировки технологического оборудования.Технические средства верхнего уровня.Верхний уровень системы строится на основе операторской станции.Операторская станция включает в себя основные функции:Отображение информации о состоянии объекта управления. Сигнализацию о нарушениях технологического процесса, аварийных ситуациях.Настройку коэффициентов регуляторов, параметров работы исполнительных механизмов;Отображение данных по накапливаемым параметрам;Формирование журнала действий оператора;Выдачу заданий на регуляторы и исполнительные механизмы;Обеспечение развитой системы безопасности.Операторская станция строится на базе промышленного компьютера (ПК), на базе процессора Pentium IV с тактовой частотой 3.06 ГГц.Сеть управления системы функционирует на основе резервированной локальной сети V-net, обеспечивает обмен информацией со скоростью 10 Мбит/с. и реализуется на базе коаксиального кабеля.Система бесперебойного питания технических средств АСУТП основного производства ХТММ:Модель NXA30 (ON-LINE) (Liebert), Мощность – 30кВА, время поддержания питания - 30 мин (40 акк. батарей ExideSprinter в шкафу расширения).Система бесперебойного питания технических средств АСУТП ДПЦ ХТММ:Модель GXT2-4500RT230 (ON-LINE) Liebert, Мощность – 4.5кВА, время поддержания питания - 30 мин (акк. батареи).Аппаратура передачи данныхСетевая структура АСУТП поддерживается с помощью резервированного канала V-net на базе коаксиального кабеля. Каналами связи являются встроенные порты станций управления и сетевая плата, установленная в операторскую станцию. Информационная связь с удаленной АСУТП реализуется по каналам Ethernet и V-net. Дублированный канал V-net реализуется на базе оптоволоконного кабеля. Преобразование сигналов производится с помощью оптических повторителей YNT511D. Все сетевые средства размещаются в двух шкафах. Особенности создания алгоритмического обеспечения работы при использовании программно-технического комплекса компании «CENTUM CS 3000 »Алгоритм работы любой системы управления, прежде всего, определяется перечнем решаемых задач. Но в каждом конкретном случае способ реализации отдельных задач, а, следовательно, и алгоритма в целом зависит от аппаратных и программных средств, находящихся в распоряжении разработчика.Перед рассмотрением алгоритма сформулируем общие особенности проектирования системы управления при использовании универсальных контроллеров – это позволит более четко представить разделение задач системы управления между ее узлами, конкретные подходы к их реализации. В нашем проекте система управления включает в себя два интеллектуальных базовых узла – контроллер CENTUM CS 3000. Поэтому первым этапом проектирования после выбора аппаратных средств системы управления является разбивка общего перечня задач системы между ее узлами. Работа контроллера с формальной точки зрения заключается в приеме информации с аналоговых датчиков, опросе контактных датчиков, выполнении необходимых расчетов, выдачи аналоговых и цифровых управляющих сигналов. Работа операторной панели состоит в осуществлении ввода/вывода информации. В соответствии с вышеизложенным, программирование этих узлов ведется независимо друг от друга – их работа алгоритмически между собой не связана. Связаны они между собой фактически только за счет использования общего адресного пространства, причем общего не за счет физической концентрации его в одном месте, а за счет общей сквозной адресации ячеек в блоках памяти базовых узлов системы. Причем программист избавлен даже от рутины «расписывания» этих адресов, основной «труд» при этом берет на себя система программирования. Рассмотрим особенности программного обеспечения ПЛК. Программное обеспечение контроллера состоит из двух частей. Первая часть – это системное программное обеспечение (СПО), которое управляет работой узлов контроллера, занимается организацией их взаимосвязи, внутренней диагностикой. СПО расположено в постоянной памяти в адресном пространстве центрального процессора и всегда готово к работе. Система исполнения кода прикладной программы является составной частью СПО. Система исполнения включает драйверы модулей ввода-вывода и интерфейсов, таймеров и часов реального времени.Свои действия системноепрограммное обеспечение контроллера осуществляет периодически (рисунок 5.11). Составным элементом его цикла является выполнение прикладной программы действий, определенных пользователем.Рисунок 5.11 – Цикл CENTUM CS 3000Другая часть программного обеспечения контроллеров – это прикладные программы управления конкретным процессом. Эти программы создаются разработчиком системы управления.CPU ПЛК обрабатывает программу циклически. Цикл состоит из нескольких фаз, которые выполняются регулярно и в строгой последовательности. В каждой фазе цикла CPU выполняется одна из конкретных задач:опрос входов;выполнение программы пользователя;обработка коммуникационных запросов;проведение самодиагностики в CPU;установка выходов.ЗаключениеВ настоящее все больше распространяется производство волокнистых полуфабрикатов высокого выхода, один из которых производство химико-термомеханической массы (ХТММ). По сравнению с производством целлюлозы производство таких полуфабрикатов имеет больший выход, меньшие отходы, меньшее загрязнение окружающей среды.Потребление ХТММ для производства бумаги и картона в мире постоянно растет. Также растет производство товарной ХТММ.В результате проведённой работы была рассмотрена техническая реализация системы управления. Использование панели оператора и пульта управления на базе программируемого контроллера CENTUM CS 3000 ПЛК 100, а также замена старых показывающих приборов на новые цифровые позволили существенно повысить надёжность автоматизированной системы, увеличить наглядность процесса, минимизировать размер технологического оборудования и существенно сократить число импульсных линий. Проанализировав существующую систему автоматизации и обнаружив её недостатки, произведена модернизация автоматической системы управления. Предложено заменить исполнительное устройство клапан R21 фирмы «Neles» на исполнительное устройство, с шаровым клапаном и интеллектуальным позиционером ND9100Hфирмы «Metso». Модернизация процесса приведёт к более точному управлению параметрами процесса, вследствии чего повысится экономическая эффективность.Применение химико-термомеханической древесной массы позволяет сократить расход целлюлозы при производстве многих печатных видов бумаги и картонов, улучшить их качественные показатели, а газетную бумагу можно вырабатывать без использования целлюлозы.Цель автоматизации производства заключается в повышении эффективности труда, улучшении качества выпускаемой продукции, в создании условий для оптимального использования всех ресурсов производства.Данная подсистема отвечает всем требованиям, предъявляемым к АСУТП. И может применяться на производстве.Список используемой литературыБуйлов Г.П. Математические модели пропитки и пропарки щепы в производстве ВПВВ и их использование для управления и оптимизации / СПбГТУРП. – СПб., 2013. – 70 с.: ил. 23.- Буйлов Г.П. Автоматика и автоматизация производственных процессов целлюлозно-бумажного производства: учебно-методическое пособие по курсовому проектированию/ ВШТЭ СПбГУПТД.- СПб., 2019.- 100 с.: ил.32, табл.2. ISBN 978-5-91646-176-3Буйлов Г.П. Автоматизация оборудования целлюлозно – бумажного производства: учебное пособие по дипломному проектированию/ ГОУВПО СПбГТУРП. Спб., 2009.Лаптев В.Н. Производство древесной массы: учебное пособие/ ГОУВПО СПбГТУРП/ - СПб., 2009. Суриков В.Н., Буйлов Г.П. Автоматизация технологических процессов и производств: учебно - методическое пособие по курсовому проектированию/ ВШТЭ СПбГУПТД.- СПб., 2017.- 116 с.: ил.41, табл.4. Суриков В.Н., Серебряков Н.П. Автоматизированные системы управления технологическими процессами : учебно-методическое пособие по курсовому проектированию/ ВШТЭ СПБГУТД .СПБ. , 2017 -46 с.Суриков В.Н., Серебряков Н.П., Попов В.Б. Автоматизация технологических процессов и производств: учебное пособие по ВКР/ ВШТЭ СПб ГУПТД/- СПб., 2017. Суриков В.Н., Малютин И.Б., Серебряков Н.П. Автоматизация технологических процессов и производств: учебное пособие по дипломному проектированию/ СПбГТУРП. - СПб., 2011.Суриков В.Н., Буйлов Г.П. Автоматизация технологических процессов и производств/ учебное пособие/ ГОУВПО СПбГТУРП. – СПб., 2011Пузырев С.С. Современная технология механической массы – СПбГТУ, СПб 2000. т. 1, т. 2Буйлов Г.П., Трофимович А.Г., Остроумов В.Н. Пневматические устройства SMC для автоматического управления. МУ к лабораторным работам – СПб, 2007Буйлов Г/П. Доронин В.Ф., Серебряков Н.П. Автоматизированные системы управления теплоэнергетическими процессами отрасли УП, СПб, 2001Коской А.С., Паленов Ю.А. Производство древесной массы. Конспект лекций. – Л. – 1978Буйлов Г.П., Доронин В.А., Серебряков Н.П. Автоматика и автоматизация производственных процессов – ЦБП – М. – Экология - 1995 Буйлов Г.П. Математические модели пропитки и пропарки щепы в производстве ВПВВ и их использование для управления и оптимизации / СПбГТУРП. –СПб., 2013. – 70 с.: ил. 23.Суриков В.Н., Буйлов Г.П. Автоматизация технологических процессов и производств: учебно-методическое пособие по курсовому проектированию / ВШТЭ СПбГУПТД.– СПб., 2017. -116 с.: ил.41, табл.4.ГОСТ 34.602-89. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы.Суриков В.Н., Малютин И.Б., Серебряков Н.П. Автоматизация технологических процессов и производств: учебно-методическое пособие по дипломному проектированию. – СПб., 2011.Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. – М.: Постмаркет, 2000.Приложение 1.Таблица 1 – Спецификация на технические средства автоматизацииПозицияприбораНаименование и техническая характеристика оборудованияТип, марка оборудованияЗавод-изготовительКоличествоПримечание123456Бункер пропарки щепыРасход пара, т/чFЕ1-1Компактный вихревой расходомер Диапазон измерения (0-4,5) т/чШкала (0-4,5) т/ч σ = 0,5FV4000-VT4 01311FBD21A2E*0AAB1«ABBAutomation» Германия11Температура щепы в нижней части бункера, ˚СTТ2-12-2Накладной измерительный датчик с плоским установочным блоком из алюминиядвухпроводной преобразователь температурыДиапазон измерения (0-100) ºСШкала (0-100) ºСσ = 0,5Регулирующий орган с шаровым сегментным поршневым, с пневматическим приводом и встроенным эл.позиционеромTST602-BH8B110TAF10-42 + TMT182-A3ADBM1-B1CU6/25-ND9100HN«Endress+Hauser», Германия«Metso»Финляндия1Продолжение таблицы 1ПозицияприбораНаименование и техническая характеристика оборудованияТип, марка оборудованияЗавод-изготовительКоличествоПримечаниеРегулирование скорости вращения винта разгрузочного шнека при выгрузке щепы, об/минST3-13-2Регулятор скорости вращения двигателя разгрузочного шнекаПреобразователь частоты. Шкала (0-1500) об/минσ = 1,0Регулирующий орган с шаровым сегментным поршневым, с пневматическим приводом и встроенным эл.позиционеромEmotron (Эмотрон) серии VFX 2.0 – VFX 40M1-B1CU6/25-ND9100HN«Emotron», Швеция«Metso»Финляндия11Уровень щепы в бункере, мLE4-1LT4-2Дистанционный преобразователь сигнала в цифровой кодпроцессорный модульВедомый процессорный модуль,2 источника Cs137 активность 2.2 мКи (81.4 МБк) в щелевых контейнерах на высоте 60 и 100% пределов измерения.Диапазон измерения (0-5) м.Шкала (0-5) м; σ = 1,0LB4405-01-0x-Gd-ELB440-01LB440-11«Berthold Tehnologies», Германия312 Продолжение таблицы 1ПозицияприбораНаименование и техническая характеристика оборудованияТип, марка оборудованияЗавод-изготовительКоличествоПримечаниеКонтроль температуры паровоздушной смеси (выпара) в атмосферу, ˚СTT5-1Измерительный датчик температуры Диапазон измерения (0-100) ºСШкала (0-100) ºС,σ = 0,5 выход 4-20мАTR25-AA51HR3000«Endress+Hauser», Германия1Пропиточная колонна с уплотняющим шнекомЭлектронагрузки уплотняющего шнека, кВт ET6-1Ваттметр Д37, включение через трансформаторДиапазон измерения (0- 800) кВтШкала (0- 800) кВт σ = 1,0Д37«Западприбор», Россия1Скорость вращения винта уплотняющего шнека, об/минST7-17-2Регулятор скорости вращения двигателя разгрузочного шнекаПреобразователи частоты Шкала (0-1500) об/минσ = 1,0Регулирующий орган с шаровым сегментным поршневым, с пневматическим приводом и встроенным эл.позиционеромEmotron (Эмотрон) серии VFX 2.0 – VFX 69M1-B1CU6/25-ND9100HN«Emotron», Швеция«Metso»Финляндия11 Продолжение таблицы 1ПозицияприбораНаименование и техническая характеристика оборудованияТип, марка оборудованияЗавод-изготовительКоличествоПримечаниеНагрузка вертикальных шнеков, кВт ET8-1ET9-1Ваттметр, включение через трансформаторДиапазон измерения (0- 40) кВт, Шкала (0- 40) кВт σ = 1,0Д37«Западприбор», Россия11Уровень в пропиточной колонне, ммLT10-110-3Гидростатич. преобр-ль уровня.Диапазон измерения (0-6000) мм.вод. ст.Шкала (0-6000) ммσ = 0,5Регулирующий орган с шаровым сегментным поршневым, с пневматическим приводом и встроенным эл.позиционеромPMP731-R43H9M19YA-GFB210 (MVTJC0515)«Endress+Hauser», Германия11Расход горячей воды, л/минFЕ 11-1FT11-2 11-3Датчик расхода электромагнитный преобразователь измерительный расходаДиапазон измерения (0-550) л/мин. Шкала (0-550) л/минσ = 0,5Регулирующий орган с шаровым сегментным поршневым, с пневматическим приводом и встроенным эл.позиционеромMAG-XM DM41F-T50HF1A,50XM2-1**AB22ABAB2.M1-B1CU6/25-ND9100HN«Endress+Hauser», Германия«Metso»Финляндия111Температура горячей воды/химических реагентов в пропиточную колонну,˚СTТ 12-1Измерительный датчик температуры Диапазон измерения (0-100) ºСШкала (0-100) ºСσ = 0,2TR10-AAF3BHSAR3000«Endress+Hauser», Германия1