Автоматизация процессов виноделия - Основы проектирования систем автоматического регулирования в виноделии

Раздел 3
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВ

ГЛАВА 18.
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для проектирования автоматизации производственного объекта (линии, цеха и т. п.) организация-заказчик заключает договор с организацией-исполнителем. К договору прилагается проектное задание (рекомендуемый образец формы см. в Приложении I), являющееся основным документом.
Проектное задание составляет организация-заказчик. Однако в его составлении принимает непосредственное участие также и организация-исполнитель.
Составление проектного задания делается с учетом обеспечения с помощью автоматизации высокой производительности и нормальных условий труда, высокого качества и низкой себестоимости продукции при экономном использовании материальных и финансовых средств. Кроме того, в проектном задании учитываются перспективы расширения и развития предприятия и планы внедрения новой техники.
В проектном задании должны обязательно содержаться исходные данные, такие, как:

1. состав проектируемого объекта, краткое описание, основные технические характеристики технологических установок и агрегатов, а также характеристики производственных помещений и наружных установок в отношении пожаро- и взрывоопасности, агрессивности, влажности, температуры окружающей среды, наличия толчков, вибраций;
2. перечень пунктов управления объектов, связь между ними, обусловленная принятой системой управления (центральный, местный или иной щит управления) и основные требования к этой системе.

Вместе с проектным заданием организации-исполнителю представляются исходные материалы, которые должны содержать:

1. технологические схемы с трубопроводными коммуникациями и указанием их диаметров;
2. чертежи производственных помещений с расположением технологического оборудования, мест установки щитов и пультов, планы, разрезы;
3. схемы электроснабжения, а также воздухо- и водоснабжения с указанием давления, температуры;
4. ведомости средств автоматизации, входящих в комплексную поставку организации-заказчику и пр.

Все перечисленные и аналогичные им вопросы должны окончательно ставиться в проектном задании, так как даже частичное изменение принятых решений в дальнейшей стадии проектирования может привести к полной переделке всех проектных материалов.

СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В соответствии с действующей инструкцией и указаниями * проектирование автоматизации производственных процессов производится в две стадии: проектное задание и рабочие чертежи.
Разрабатываемая организацией-исполнителем техническая документация в стадии «Проектное задание» включает структурные схемы управления проектируемым объектом и взаимосвязь между пунктами контроля и управления; принципиальные схемы автоматизации для несложных объектов; чертежи расположения щитов и пультов на плане объекта; заявочные ведомости средств автоматизации, электроаппаратуры, щитов, пультов, кабелей, проводов и труб; сметно-финансовый расчет; пояснительную записку.
Документация в стадии «Рабочие чертежи» включает принципиальные схемы автоматизации; принципиальные электрические и пневматические схемы автоматизации; принципиальные электрические и пневматические схемы питания; общие виды щитов и пультов; чертежи установки щитов и пультов; монтажные схемы щитов, пультов и соединительных коробок; чертежи вводов щитов и пультов; схемы внешних электрических и трубных проводок и монтажные чертежи; чертежи трасс; чертежи установки аппаратуры, вспомогательных устройств; чертежи установки щитов и пультов; чертежи общих видов и конструкций нестандартного оборудования; пояснительную записку; спецификации средств автоматизации, электроаппаратуры, щитов и пультов, соединительных коробок, кабелей и проводов, труб, трубопроводной арматуры, монтажных изделий и материалов, нестандартного оборудования; смету стоимости оборудования и монтажа; структурные схемы управления объектом (выполняются при проектировании сложных систем с централизованным управлением).

* «Инструкция по разработке проектов и смет промышленного строительства». СН-202-62. «Указания по проектированию электроустановок систем автоматизации производственных процессов». СССР-МСН-205-69.

Рассмотрим принципиальные особенности разработки и содержание основных документов проектируемых систем автоматизации в стадии «Рабочие чертежи».

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

Рис. 107. Примеры изображения средств контроля давления и уровня на принципиальных схемах автоматизации: а, б — развернутые изображения; в, г — упрощенные изображения.

Принципиальная схема автоматизации объекта служит базой для составления остальных чертежей проекта, спецификаций, сметы и сметно-финансового расчета. Это документ, окончательно определяющий принятый принцип построения систем регулирования, контроля и запроектированный уровень автоматизации в целом.

На рис. 122 и 123 приводятся образцы исполнения схем. Здесь изображение технологических агрегатов приблизительно соответствует их настоящей конфигурации или принятым условным обозначениям в соответствии с ГОСТ 3464—63. Все проектные организации обязаны соблюдать требования этого стандарта. Однако, если изображения элементов технологических схем (оборудование, трубопроводы и пр.) не совпадают со стандартными обозначениями, то в схемах могут применяться также условные обозначения, используемые в технологических схемах проектного задания. Все используемые средства автоматизации на нашей схеме показаны условными обозначениями по ГОСТ 3925—59 (см. Приложение IV).
При проектировании различают три метода оформления принципиальных схем автоматизации: с развернутым, упрощенным и комбинированным изображением средств автоматизации в соответствии с ГОСТ 3925—59.
На рис. 107 а и б в качестве примеров соответственно представлены развернутые изображения средств контроля давления и уровня, а на рис. 107 в и г — упрощенные изображения тех же средств, где, как видно, преобразователи и дистанционные передачи уже не показываются.
Первый метод изображения средств автоматизации рекомендуется применять в стадии «Рабочие чертежи», второй — в стадии «Проектное задание».
Комбинированный метод применяется лишь тогда, когда в схеме используются системы регулирования и контроля, не имеющие точных технических данных (системы, осваиваемые промышленностью). В таком случае последние приходится изображать упрощенно, а все остальные средства автоматизации — развернуто.
Взаимосвязь элементов контроля и управления на схеме производится соединительными линиями. Причем рекомендуется делать разрыв этих линий так, как это показано на рис. 122 и 123.
При вычерчивании схем на бумаге форматов 12-44 (А3-А0) соединительные линии, контурные линии агрегатов, прямоугольники, изображающие щиты, штриховка разрезов выполняются тонкими линиями толщиной 0,2—0,3 мм; коммуникации трубопроводов — 0,8—1 мм, средства автоматизации — 0,5—0,6 мм.
Нумерацию регуляторов, приборов, аппаратов на принципиальной схеме автоматизации рекомендуется проводить в следующем порядке: каждой системе регулирования или контроля, входящей в схему, присваивается та или иная позиция (цифровой порядковый номер от 1 до числа м), а за каждым элементом данной системы (см., например, рис. 142, позиция /) сохраняют тот же номер, но добавляют буквенный индекс (а, б, в и т. д.). Буквенные индексы присваиваются в порядке, соответствующем ходу передачи регулирующего воздействия в системе. Например, 1 а — измерительный элемент; 1 б — датчик; 1 в — вторичный прибор; 1 — регулирующий прибор системы и т. п.
Однотипным элементам и системам могут присваиваться одинаковые позиции, независимо от места их расположения на схеме. В качестве примера можно привести систему контроля температуры с многоточечным электронным мостом. При изображении этой системы на принципиальной схеме автоматизации (см. рис. 137) все термометры сопротивления данного прибора обозначаются одним номером (например, 5 а моста 5 и т. д.).
В процессе разработки принципиальных схем автоматизации винодельческих производств особое внимание должно уделяться правильному выбору необходимых средств автоматизации. При этом нужно руководствоваться следующими основными указаниями:

1. для пожаро- и взрывоопасных условий рекомендуется выбирать пневматические системы средств автоматизации (ПАУС, «Старт» и др.);
2. при осуществлении комплексной и полной автоматизации производства нужно предусматривать применение управляющих вычислительных и многоточечных быстродействующих информационных машин. Этим снижаются затраты на внедрение и облегчается труд работников по обслуживанию средств автоматизации;
3. предпочтительно выбирать унифицированные системы регуляторов и приборов. Применение однотипной аппаратуры дает значительный экономический эффект, упрощает эксплуатацию, ремонт и настройку, позволяет создать резерв запасных частей средств автоматизации;
4. измерительные элементы, датчики, регулирующие органы и прочие детали выбираемых средств автоматизации, которые при работе будут находиться в контакте с суслом и вином должны быть изготовлены из материалов, не подвергающихся коррозии, не вступающих в химическую реакцию с продуктом и не влияющих на его качество, например из нержавеющей стали, бронзы или других материалов, но со специальным защитным покрытием: полиэтиленовым, винипластовым, фторопластовым и т. п.:
5. монтаж выбираемых регуляторов и приборов должен осуществляться так, чтобы к измерительным элементам, датчикам и регулирующим органам был свободный доступ для систематической очистки, промывки, дезинфекции и стерилизации.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

Принципиальные электрические схемы выполняются на основе утвержденных принципиальных схем автоматизации технологических процессов. Эти схемы предназначены для раскрытия технической сущности проектных решений и взаимосвязи между отдельными электрическими средствами автоматизации и аппаратами. Составляются и вычерчиваются схемы в соответствии с ГОСТ 2.747—68.
При составлении схем соблюдается следующая последовательность:

1. выявляются технические требования к данной электрической схеме путем тщательного анализа принципиальной схемы автоматизации;
2. устанавливаются условия и последовательность действия схемы;

1. составляются элементные цепи, удовлетворяющие каждому установленному условию действия, после чего производится объединение этих цепей в схему;
2. выбирается необходимая аппаратура и делается расчет элементов цепей: сечения проводов, плавких вставок, предохранителей, разрывной мощности контактов реле и т. п.;
3. проверяется схема на предмет неправильной работы или появления ложных цепей в случае повреждения элементарных цепей или контактов;
4. проводится окончательная корректировка схемы в соответствии с возможностями принятой аппаратуры.

Основные требования к содержанию и оформлению принципиальных электрических схем в различных проектных организациях могут определяться внутренними инструкциями, но все чертежи схем должны содержать:

1. элементные схемы управления, регулирования, блокировок, защиты (общие цепи);
2. схемы силовых цепей;
3. диаграммы замыкания контактов многопозиционной аппаратуры (командоаппаратов, универсальных переключателей и пр.);
4. общие пояснения, примечания и перечень чертежей;
5. спецификации аппаратуры с указанием мест расположения.

Для удобства чтения, монтажа, облегчения качественного анализа и эксплуатации электрической схемы автоматизации применяются системы маркировок цепей, приборов, аппаратов и других элементов схем.
Маркировка цепей при проектировании выполняется по ГОСТ 2.702—69. Маркировку элементов схем многие проектные и монтажные организации делают по своим нормативам и придерживаются цифровой или буквенной системы.
При цифровой системе каждому элементу схемы присваивается определенная порядковая цифра; при буквенной — начальные буквы названия элемента. Например, контакты — К, конечный выключатель — ВК, реле давления — РД и т. п. Если в одной и той же схеме содержится несколько однотипных элементов, то к буквенным обозначениям может добавляться цифра порядкового номера данного элемента: 1СТ, 2СТ, 3СТ или 1РНД, 2РНД и т. д. (см. рис. 133, а и б),
В составе элементных цепей электрических принципиальных схем автоматизации наиболее распространенными являются цепи управления электроприводами технологических агрегатов и цепи сигнализации. Заметим, что приведенные выше указания по оформлению схем распространяются также на эти цепи. Образцами их оформления могут служить схемы на рис. 133, г, д.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

Для составления монтажных чертежей проекта и выполнения монтажно-наладочных работ, а также для эксплуатации смонтированного объекта проектируются принципиальные пневматические схемы автоматизации. В качестве исходного материала для проектирования схем служит принципиальная схема автоматизации. Если принцип автоматизации прост и понятен из исходной схемы, пневматические схемы не составляются.
Принципиальные пневматические схемы автоматизации должны содержать в условных изображениях все регуляторы, приборы и устройства, осуществляющие функции управления, регулирования, защиты, сигнализации, блокировки со всеми линиями связи.
Условные изображения составных элементов на схеме производятся в виде упрощенных начертаний их внешних контуров (см. образец схемы на рис. 128) с обязательным соблюдением требований ГОСТ 3925—59.
Сведения о маркировке трубных соединительных линий приводятся в гл. 19.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ

Принципиальные электрические схемы питания предназначены для обеспечения электрической энергией регуляторов, приборов и другой аппаратуры. Они составляются на базе принятых решений в принципиальных схемах автоматизации.
Чертежи схем должны содержать схемы источников питания, аппаратуру контроля напряжения, аппаратуру отключения источников питания и потребителей, общие пояснения, необходимые чертежи и перечень аппаратуры.
Электрические схемы питания на чертежах осуществляются во многолинейном исполнении. Однолинейное исполнение допускается только в случае однотипности цепей, составляющих схему.
Схемы питания, как и принципиальные электрические схемы автоматизации, составляются и вычерчиваются с использованием условных графических обозначений по ГОСТ 2.747—68. При этом нулевые провода изображаются пунктирными линиями, линейные — сплошными, сборные шины — горизонтальными более толстыми, а вводы и отходящие цепи — вертикальными более тонкими линиями.
Выбор величины напряжения и рода тока для схем питания производится не произвольно, а в соответствии с техническими условиями на соответствующую аппаратуру. В современных схемах питания электроэнергией, как правило, используется переменный ток промышленной частоты при напряжении до 380 В (по существующим правилам напряжение питания вторичных цепей не должно превышать 440 В).
Питание отдельных элементов, требующих постоянного тока, в схемах осуществляется с помощью выпрямителей.
Защита от токов короткого замыкания в схемах питания обеспечивается с помощью предохранителей или автоматических выключателей. Эта аппаратура должна устанавливаться в цепях, питающих индивидуальные средства автоматизации, а также на каждом ответвлении, питающем щиты, пульты управления, самостоятельные схемы управления и сигнализации, выпрямители, трансформаторы и т. д. Причем в сырых помещениях устанавливается аппаратура защиты только в герметическом исполнении.
При проектировании схем питания производится расчет защитных устройств (расчет токов плавких вставок цепей и выбор предохранителей) и мощности источников питания. Первая задача решается с использованием методики, изучаемой в курсе электротехники, вторая — путем суммирования мощностей, потребляемых каждым электрическим устройством.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПИТАНИЯ СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ

Для обеспечения пневматических приборов и регуляторов очищенным и осушенным сжатым воздухом проектируются принципиальные пневматические схемы питания.
Разработка схем делается на базе принятой принципиальной схемы автоматизации и сводится к установлению технологической схемы подготовки сжатого воздуха, типа и количества компрессоров, схем автоматизации и снабжения последних энергией и водой.
На рис. 108 приведена технологическая схема подготовки сжатого воздуха. Сжатый воздух от компрессора для охлаждения поступает в теплообменник 1, затем в ресивер 2; для очистки от масла — в маслоотделитель 3; для осушки — в селикагелевую или алюмогелевую установку сушки воздуха 4; для окончательной фильтрации — в фильтр 5, Очищенный и осушенный воздух при заданном давлении в пределах 980 кПа (10 кгс/см²) собирается в воздухосборнике 6. Подвод воздуха к регуляторам и приборам осуществляется через распределительные воздухопроводы 7. Удаление отделенных веществ (воды, масла и пр.) в процессе подготовки сжатого воздуха достигается с помощью конденсационных горшков 8,
Расчет производительности источника питания (одного или нескольких компрессоров) ведется по формуле
Q = Qp + Qn,
где Qp — суммарный расход воздуха потребителями без учета потерь, м³/с;
Qn — суммарные потери воздуха в проектируемой схеме, м³/с.

Рис. 108. Технологическая схема подготовки сжатого воздуха.

Для нахождения величины Qp следует пользоваться следующими приближенными нормами расходов воздуха на каждую единицу средств автоматизации (в м³/с):

1. регуляторы и приборы систем «Старт» и ПАУС — (0,0278—0,0556) 10-3;
2. регуляторы и приборы дилатометрические — 0,417 ·10-3,
3. регуляторы уровня буйковые и поплавковые — 0,278· 10-3;
4. все другие пневматические средства автоматизации — 0,139-10-3.

Суммарные потери воздуха принимаются ориентировочно из условия Qn = 0,2 Qp.
На основании рассчитанной производительности Q из каталога выбираются компрессоры установки воздухоснабжения.
Емкость воздухосборника выбирается из такого расчета, чтобы в случае аварии работа систем пневмоавтоматики обеспечивалась примерно на 15 мин.
Диаметр стальных труб воздухопроводов схем питания находится по формуле

Во всех случаях диаметр условного прохода воздухопровода должен браться в пределах Dy>0,02 м.
После выбора установки воздухоснабжения, воздухосборников, воздухопроводов решается задача о месте их расположения. При этом должны учитываться следующие условия:

1. полное отсутствие взрывоопасности в отведенном помещении;
2. размеры помещения должны позволять: создание проходов между установкой и стенами не менее 1 м, между установкой и другими агрегатами не менее 2 м; забор атмосферного воздуха на высоте не менее 4 м от поверхности земли снаружи помещения; создание расстояния от места забора до всасывающего патрубка компрессора не более 10 м и высоты открытой прокладки воздухопроводов от пола не менее 1,9 м;
3. возможность монтажа воздухосборников вблизи от установки сжатого воздуха вне помещения.

Составление схемы питания можно начинать только после решения проектных задач по выбору и расположению оборудования воздухоснабжения, так как на схеме должны быть указаны: типы компрессоров, воздухоосушительных установок, воздухосборников, редукторов, манометров, фильтров, арматуры, размеры и материалы труб воздухопроводов и водопроводов.
На каждой схеме питания условными обозначениями обязательно показываются: установка воздухоснабжения с воздухопроводами, воздухосборники, устройства для охлаждения и осушки воздуха, фильтры, запорная арматура, основной воздухопровод и отводы от него к коллекторам сжатого воздуха всех групп регуляторов и приборов.
Вычерчивание схем внешних трубных проводок и составление чертежей трасс от коллекторов к регуляторам и приборам производится после принятия пневматической схемы питания.