 |
Обоснование и выбор комплекса технических средств автоматизации
|
|
|
|
На основе проведенного анализа автоматизированной системы регулирования расхода произведем выбор технических средств автоматизации (ТСА).
Современные системы автоматизации любых уровней должны строиться, как правило, на базе серийно выпускаемых средств автоматизации и вычислительной техники. В качестве локальных средств сбора и накопления первичной информации, приборов для представления ее наблюдателю, регулирующих и исполнительных устройств следует использовать приборы и средства автоматизации Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), а в качестве средств централизованного сбора, передачи и переработки информации – средства агрегатных комплексов (АК)[13].
Всякая система автоматизации должна быть простой, экономичной, быстродействующей, надежной, гибкой и удобной в управлении и обслуживании, как при нормальном, так и при аварийном режиме работы. Она должна обеспечивать легкий контроль исправности системы и удобство нахождения повреждения.
Быстродействие – продолжительность процесса управления – складывается из технологического времени, отсчитываемого от момента выдачи воздействия на исполнительный механизм до момента формирования датчиком реакции на это воздействие, и из задержки, которую вносит система управления. При выборе технических средств необходимо учитывать, что задержка системы управления должна быть, по крайней мере, на порядок ниже минимального технологического времени. Быстродействие современной микроэлектронной аппаратуры очень высоко и колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен наносекунд. Время срабатывания электромеханических реле составляет 10-20 мс[14].
|
|
|
Надежность технических средств автоматизации характеризуется показателями безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.
Безотказность определяет способность технических средств непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки на отказ и характеризуется среднем сроком службы (безотказной работы) либо вероятностью безотказной работы в течение заданного времени.
Долговечность характеризует способность технических средств сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.
Ремонтопригодность характеризует приспособленность технических средств к предупреждению и обнаружению причин повреждений, отказов и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания. Ремонтопригодность обеспечивается модульно-блочным способом построения систем автоматизации.
Сохраняемость характеризует свойство технических средств оставаться в исправном и работоспособном состоянии при хранении и транспортировке.
Выбор технических средств автоматизации, как правило, определяется видом энергии технологического объекта. Применяют технические средства электрического, пневматического и гидравлического типов. Среди них наибольшее распространение получили электрические средства автоматизации, что объясняется преимуществом электрической энергии как в смысле питания, так и в смысле передачи сигнала. Выбор технических средств автоматизации осуществляется согласно существующему регламенту ДНС с учетом ряда факторов метрологического и режимного характера, наиболее существенными из которых являются:
– информация о процессе;
– тип измеряемого параметра (температура, плотность, состав, агрессивность, давление);
|
|
|
– требования к источникам питания;
– точность (погрешность) измерения;
– диапазон измерения датчика;
– индикация (по месту/нет, выносная или др.);
– единицы измерения датчика (бар, МПа, кг/м3, м3/ч и др.);
– диапазон выходного сигнала датчика;
– условия эксплуатации (открытый воздух, помещение, виброустойчивость, температура диапазона измеряемой среды и электроники, срок службы);
– физические интерфейсы связи с компьютерной средой (RS 232/485, HART, или др.);
– электробезопастность (защита от короткого замыкания, защита от неправильного подключения, искробезопастность) характеризуются безопасностью применения в пожаро и взрывоопасных средах, высокой надежностью в тяжелых условиях работы, особенно при использовании в агрессивных средах;
– ориентировочная стоимость.
2.9.1 Выбор датчика измерения расхода
Для задачи измерения расхода проведем сравнительный анализ следующих датчиков расхода трех фирм:
1) ЗАО "Взлет"– Расход 7;
2) ПГ "МЕТРАН"- Метран-300-ПР;
3) ГК " ЭМИС " - Ротаметр ЭМИС-МЕТА 215.
Основные критерии выбора:
- диапазон измерений – 0…0,063 м3/ч;
- предел погрешности измерения – не более 1,5%;
- выходной унифицированный сигнал – желательно 4…20 mА;
- цена.
Результаты сравнения сведены в таблицу 2.2.
Таблица 2.2 – Таблица сравнения датчиков расхода
| Параметр сравнения | Ротаметр Эмис-Мета 215 | Метран-300-ПР | Расход 7 |
| Измеряемые среды | жидкости | жидкости | жидкости |
| Диапазон измерения, м3/ч | 0…0,1 | 1…50 | 0…2,5 |
| Температура окружающей среды, °С | -40…+50 | -51…+80 | -50…+85 |
| Выходные сигналы | 4…20 mА с HART-протоколом | 4…20mА с HART-протоколом | 4…20 mА с HART-протоколом |
| Приведенная погрешность, % | 1,5 | 2,5 | 1,5 |
| Цена, руб. |
По приведенным техническим данным датчиков расхода можно сразу исключить датчик Метран-300-ПР-25, т.к. предел погрешности измерения и диапазон его измерений значительно превышает основные критерии по выбору. Датчики Ротаметр ЭМИС-МЕТА 215 и Расход 7 удовлетворяют этому требованию. Выбираем Ротаметр ЭМИС-МЕТА 215, т.к. он обладает самой низкой стоимостью.
Ротаметры ЭМИС-МЕТА 215 (далее – ротаметры) предназначены для измерения объемного или массового расхода жидкостей или газов, в том числе химически агрессивных (в антикоррозийном исполнении Фт) на предприятиях топливно-энергетического комплекса и других отраслей промышленности. Ротаметры исполнения с жидкокристаллическим дисплеем (далее ЖК-дисплеем) помимо измерения объемного расхода способны суммировать и отображать накопленный объем[42].
|
|
|
Ротаметры применяются в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности, в стационарных технологических установках, средствах перекачки.
Данная серия приборов имеет следующие особенности:
- широкий диапазон температур среды;
- возможность дистанционного контроля показаний;
- возможность работы в химически агрессивных средах.
Ротаметр предназначен для работы во взрывобезопасных и взрывоопасных условиях. Ротаметр взрывозащищенного исполнения «ЭМИС-МЕТА 215-Ex» имеет вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» с маркировкой 1ExibIIBT2/T4 по ГОСТ 30852.10. Ротаметр взрывозащищенного исполнения «ЭМИС-МЕТА 215-Вн» имеет вид взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка» по ГОСТ 30852.1 с маркировкой 1ExdIIBT2/T4.
Ротаметр имеет стандартное исполнение (исполнение «-») с вертикальным размещением на трубопроводе и исполнение «Г» с горизонтальным размещением на трубопроводе. На (рис. 2.35) показан внешний вид ротаметра ЭМИС-МЕТА 215Г исполнение «Г».
Рисунок 2.35 – Внешний вид ротаметра ЭМИС-МЕТА 215Г
Ротаметр состоит из двух основных узлов – измерительного узла и узла индикации. Узел индикации может быть оснащен токовым выходным сигналом для дистанционного контроля показаний. На (рис. 2.36) показан измерительный узел ротаметра исполнения « Г ».
1 - ось поплавка; 2 - нижняя направляющая; 3 - поплавок;4 – демпфер; 5 - верхняя направляющая; 6 – фланцы; 7 - проточная часть; 8 - коническая трубка; 9 – пружина.
Рисунок 2.36 – Измерительный узел ротаметра исполнения « Г »
Поток жидкости в проточной части 2 воздействует на поплавок 3 с некоторой силой. Под действием этой силы поплавок начинает перемещаться вдоль проточной части. При этом увеличивается площадь проточного канала между поплавком и конической трубкой 8, вследствие чего гидравлическая сила, действующая на поплавок, уменьшается. При определенном положении поплавка гидравлическая сила и сила воздействия пружины компенсируют друг друга, и поплавок останавливается. Расстояние перемещения поплавка зависит от текущего расхода и передается на узел индикации через электромагнитный механизм. Стрелка индикатора показывает мгновенный расход на шкале, ЖК-дисплей отображает мгновенный расход и накопленный объем[42].
|
|
|
Краткое описание технических характеристик ротаметра представлено в таблице 2.3.
Таблица 2.3 – Технические характеристики ротаметра ЭМИС-МЕТА 215Г
| Характеристика | Значение |
| Диаметр условного прохода, | 15 мм |
| Пределы допускаемой приведенной погрешности, | 1,5% |
| Избыточное давление измеряемой среды, | 10,0 МПа |
| Температура измеряемой среды, | от –80º С до +250º С |
| Максимальная вязкость измеряемой среды, | 5 мПа·с |
| Выходные сигналы и индикация: | -индикатор, - аналоговый токовый 4…20mА, - HART™. |
| Напряжение питания, | 24 В постоянного тока |
| Взрывозащита, | 1ExibIIBT2/T4 |
| Температура окружающей среды, | от –40 до +50º С |
| Относительная влажность окружающей среды при температуре 35ºС, | не более 98 % |
| Защита от пыли и влаги, | IP65 |
| Напряженность магнитного поля, | не более 250 А/м |
| Вибрация, | группа V1 по ГОСТ 12997 |
| Диапазон измеряемых расходов, | от 2,5 до 100000 л/ч |
| Интервал между поверками, | 5 лет |
Значение силы тока в цепи токового выходного сигнала лежит в пределах 4…20 mА и линейно зависит от объемного расхода. Значение силы тока 4 mА соответствует нулевому расходу. Значение силы тока 20 mА соответствует верхнему пределу диапазона измерений ротаметра.
Параметры аналогового токового сигнала представлены в таблице 2.4.
Таблица 2.4 – Параметры выходного токового сигнала
| Аналоговый токовый сигнал | |
| Пределы диапазона, | 4…20 mА |
| Сопротивление нагрузки, | не более 750 Ом |
| Напряжение питания токовой цепи, | 24 В |
| Номинальная мощность, | Менее 1 Вт |
Цифровой сигнал передаёт данные с помощью частотной модуляции на токовом выходе 4…20 mА по стандарту Bell 202. Протокол передачи HART™ версия 5. Ротаметр может работать в режиме соединения “точка-точка” или в режиме многоканального соединения. В режиме соединения “точка-точка” ротаметр подключается непосредственно к ведущему устройству. В режиме многоканального соединения ротаметр подключается к общей шине параллельно с другими подчиненными устройствами (до 15 устройств на линии). При этом по линии осуществляется только цифровая связь, а значение тока силы тока устанавливается равным 4 мА.
|
|
|
По цифровому выходному сигналу передаются следующие параметры:
- серийный номер ротаметра;
- суммарный объем;
- мгновенный расход;
- сетевой адрес.
Встроенный индикатор в виде стрелки отображает текущий расход измеряемой среды.
Ротаметры взрывозащищенного исполнения ЭМИС-МЕТА 215-Ex имеют вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» по ГОСТ 30852.10 с маркировкой взрывозащиты 1ExibIIBT2/T4.
Взрывозащита вида «искробезопасная электрическая цепь» уровня «ib» обеспечивается следующими средствами:
- внешнее электрическое питание ротаметра должно осуществляться только от искробезопасного блока (барьера) с выходными цепями уровня «ib» или «ia» и электрическими параметрами, соответствующими ГОСТ 30852.10 для искробезопасных цепей электрооборудования подгруппы IIB;
- подключение внешних устройств к цифровому, токовому выходам преобразователя должно осуществляться только через барьеры искрозащиты с цепями уровня «ib» или «ia» и электрическими параметрами, соответствующими ГОСТ 30852.10 для искробезопасных цепей электрооборудования подгруппы IIB;
- электрическая нагрузка элементов, обеспечивающих искробезопасность, не превышает 2/3 их номинальных значений;
- электрические зазоры, пути утечки и электрическая прочность изоляции ротаметров соответствует требованиям ГОСТ 30852.10;
- емкость и индуктивность электрических цепей ротаметров установлены с учетом требований искробезопасности по ГОСТ 30852.10.
Входные параметры цепи питания приведены в таблице 2.5.
Таблица 2.5 – Входные параметры цепей
| Наименование параметра | Значение параметра для цепи |
| Максимальное входное напряжение Ui, В | |
| Максимальный входной ток Ii, мА | |
| Максимальная входная мощность Pi, Вт | |
| Максимальная входная емкость Ci, пФ | |
| Максимальная входная индуктивность Li, мГн | 1,2 |
2.9.2 Выбор преобразователя частоты
Всегда существовала потребность в регулировании скорости двигателей, чтобы оптимально управлять технологическим процессом. Раньше это делалось механически, например, с помощью механического вариатора. Благодаря большим преимуществам электроники возможны более универсальные приложения и общие понятия современного привода. Раньше для решения задачи регулирования скорости использовались только приводы постоянного тока. Теперь асинхронные приводы становятся все более популярными с каждым днем. Они состоят из преобразователя частоты и асинхронного двигателя (АД)[23].
Наиболее перспективным и широко используемым в настоящее время способом регулирования скорости АД является частотный способ. Этот способ обеспечивает плавное регулирование в широком диапазоне. Получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ к тому же отличается и еще одним весьма важным свойством: при регулировании скорости АД не происходит увеличения его скольжения, как это имеет место, например, при реостатном регулировании, что снижает потери энергии в электроприводе.
Причины этого развития следующие:
- асинхронные машины нетребовательны к техобслуживанию;
- высокий коэффициент мощность/масса для асинхронного двигателя;
- возможность управления при максимальной скорости;
- низкая стоимость асинхронных двигателей;
- постоянное улучшение технологии преобразователя с одновременным понижением цены.
Основные сферы применения преобразователей частоты следующие:
- насосы, вентиляторы, компрессоры;
- конвейер и транспортное оборудование;
- текстильные машины;
- механические станки и деревообрабатывающие машины;
- роботы и транспортные системы;
- оборудование для белильной и бумажной промышленности.
Очень важно сделать правильный выбор преобразователя частоты (ПЧ). От него будет зависеть эффективность и ресурс работы преобразователя частоты и всего электропривода в целом. Если мощность преобразователя будет слишком завышена, он не сможет в должной мере обеспечить защиту двигателя. С другой стороны, если мощность преобразователя мала, он не сможет обеспечить высокодинамичный режим работы и из-за перегрузок может выйти из строя[25].
Для задачи регулирования скорости электродвигателя переменного тока проведем сравнительный анализ следующих ПЧ трех фирм:
1) "Mitsubishi Electric" - Mitsubishi FR-E740;
2) "SIEMENS" – Micromaster - 430;
3) "DELTA ELECTRONICS" - VFD-E.
Выбор ПЧ может производиться по следующим параметрам:
1. Паспортная мощность ПЧ (кВА) должна быть больше или равна паспортной мощности асинхронного двигателя (0,37кВт).
2. Номинальный длительный ток ПЧ должен быть больше (или равен) фактического длительного тока, потребляемого двигателем (2,5А).
Результаты сравнения сведены в таблицу 2.6.
Таблица 2.6 – Таблица сравнения датчиков расхода
| Параметр сравнения | Mitsubishi FR-E740 | Micromaster - 430 | VFD-EL |
| Мощность преобразователя, кВА | 0,5 | 0,5 | |
| Мощность двигателя, кВт | 0,4 | 0,75 | 0,4 |
| Номинальный выходной ток, A | 2,5 | 3,5 | 2,5 |
| Цена, руб. |
По приведенным техническим данным можно сразу исключить ПЧ Micromaster - 430, т.к. его выходные параметры значительно превышает основные критерии по выбору. ПЧ Mitsubishi FR-E740 и VFD-EL удовлетворяют этому требованию. Выбираем VFD-EL, т.к. он обладает самой низкой стоимостью.
Преобразователи частоты серии VFD-E предназначены для управления скоростью вращения трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором мощностью от 0,2 до 11 кВт в составе такого оборудования как, насосы, вентиляторы, миксеры, экструдеры, транспортирующие и подъемные механизмы[52].
Внешний вид ПЧ VFD-E показан на (рис. 2.37).
Рисунок 2.37 - Внешний вид ПЧ VFD-E
Принцип работы преобразователя частоты состоит в том, что, так называемый, «выпрямитель» преобразует переменный ток промышленной частоты в постоянный, а устройство «инвертор» наоборот преобразует постоянный ток в переменный, требуемой частоты и амплитуды.
Преобразователь частоты представляет собой регулятор электродвигателей, который служит для преобразования переменного тока сети на входе в переменный ток с другой формой колебаний на выходе. Регулировка выходной частоты и напряжения позволяет управлять скоростью или крутящим моментом двигателя. ПЧ может изменять скорость двигателя в ответ на сигнал обратной связи от системы, такого как от датчиков положения на ленточном конвейере. Преобразователь частоты может также осуществлять регулировку двигателя, передавая дистанционные команды с внешних регуляторов.
Помимо этого, преобразователь частоты выполняет мониторинг состояния двигателя и системы, активирует предупреждения и аварийные сигналы при повреждениях, включает и останавливает двигатель, оптимизирует энергоэффективность, обеспечивает защиту линейных гармонических функций и предлагает прочие функции по управлению, мониторингу и повышению эффективности. Функции по управлению и мониторингу доступны в виде индикации состояний, подающихся на внешнюю систему управления или сеть последовательной связи.
Основные защитные функции:
- от коротких замыканий и перегрузки в преобразователе частоты;
- от недопустимых перегрузок по току (с интегрально - зависимой
защитой);
- от перегрева преобразователя частоты;
- от перегрева входного трансформатора;
- от внешних и внутренних коммутационных перенапряжений;
- от пробоя силовой ячейки с IGBT транзисторами;
- от нарушения связи в цепях управления преобразователем частоты;
- от исчезновения вентиляции;
- от недопустимого снижения уровня напряжения сети;
- от недопустимого превышения уровня напряжения сети;
- от обратного вращения ротора двигателя;
- от пропадания фазы.
2.9.3 Выбор модуля ввода/вывода
Модули ввода-вывода из семейства Элметро-МВВ являются компонентами распределенной системы сбора данных и управления. Модули могут соединяться как между собой, так и с внешней системой управления. В сочетании с большим выбором доступных конфигураций это дает возможности построения высокоэффективных и недорогих систем управления производственными процессами, в т.ч. и распределенных[50].
Наличие открытых протоколов Modbus и CAN позволяет интегрировать модули ввода-вывода в существующую (или планируемую) на предприятии АСУ ТП, а это, в свою очередь, обеспечивает оперативный и простой доступ к измерениям, конфигурированию, управлению. На (рис. 2.38) показан внешний вид модуля ввода – вывода Эльметро-МВВ.
Рисунок 2.37 - Внешний вид модуля Элметро-МВВ
Модули ввода-вывода Элметро-МВВ предназначены для получения и преобразования сигналов различных датчиков распределенных систем сбора данных, и передачу полученной информации по каналам физических интерфейсов RS-485, CAN, Ethernet или беспроводному интерфейсу на верхний уровень АСУ ТП. Модули ориентированы на построение систем управления производственными процессами в областях промышленности с жесткими условиями эксплуатации. Модули могут использоваться как автономно, так и интегрироваться во внешнюю систему управления. Модули ЭЛМЕТРО могут устанавливаться в поле, в непосредственной близости от датчиков.
Таким образом, применение модулей ЭЛМЕТРО обеспечивает следующие преимущества:
– устраняет возможность возникновения помех на длинных аналоговых линиях связи, из-за отсутствия таковых;
– экономия на линиях связи (особенно на термокомпенсационных проводах);
– система становиться структурированной, более простой и доступной при обслуживании.
Основные функции, выполняемые модулями ввода-вывода ЭЛМЕТРО-МВВ:
– измерение (сбор данных с аналоговых и дискретных датчиков);
– возможность построения системы сигнализации и/или управления (возможность позиционного регулирования);
– вычисление расхода сред в соответствии с ГОСТ 8.586.(1-5)-2005;
– передача информации на верхний уровень АСУТП, на сервисный ПК или АРМ оператора;
– передача информации с помощью токовых выходов (функция нормирующего преобразователя).
Технические данные модуля:
– Гальваническая изоляция всех входных и выходных цепей;
– Период опроса 0,1с (полный цикл опроса всех каналов);
– Источник питания датчиков;
– Математическая обработка входных данных;
– Локальное регулирование и сигнализация;
– 4 аналоговых входа и 2 аналоговых выхода.
|
|
|
