Проектирование систем АСУТП автогенной плавки в жидкой ванне

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Тема:

Проектирование систем АСУТП автогенной плавки в жидкой ванне

Оглавление

  • Введение
  • 1. Плавка в жидкой ванне (ПЖВ)
  • 2. Тепловая схема печи Ванюкова
  • 3. Структура АСУТП
    • 3.1 Обоснование выбора АСУТП
    • 3.2 Автоматическое регулирование печи Ванюкова
    • 3.3 Функции и структура управления
  • 4. Анализ показателей надежности функций АСУТП технологического передела
    • 4.1 Расчет надежности измерительных каналов
  • 4.2 Оценка погрешностей измерительных каналов
    • 4.3 Расчет погрешности измерительных каналов
  • Заключение
  • Список используемой литературы
  • Приложение 1

Введение

Металлургия меди, а также других тяжелых цветных металлов является ведущим звеном отечественной цветной металлургии. На долю тяжелых цветных металлов в РФ приходится значительная часть валовой продукции отрасли. Значение меди из года в год возрастает, особенно в связи с бурным развитием энергетики, электроники, машиностроения, авиационной, космической и атомной техники. Дальнейшее развитие и технический уровень медного и никелевого производств во многом определяют технический прогресс многих отраслей народного хозяйства нашей страны, в том числе микропроцессорной техники. Для получения меди используются всевозможные способы плавок, например, плавка медных концентратов в электрических, отражательных, шахтных печах, при использовании процесса конвертирования медных штейнов, благодаря автогенным плавкам во взвешенном состоянии, на штейне и др. На сегодняшний день существует несколько основных процессов автогенных плавок: процесс «Норанда», «Уоркра», «Мицубиси» и Ванюкова.

К настоящему времени предложено и внедрено в промышленность значительное число автогенных процессов окислительного плавления сульфидных шихт в расплавах. При этом число новых предложений непрерывно растет. Многочисленные варианты автогенных плавок в расплавах могут иметь и фактически имеют принципиальные технологические особенности и большие различия в аппаратурном оформлении.

Под автогенным понимается процесс, в котором необходимый для технологии уровень температур обеспечивается только за счет теплоты, вносимой исходными материалами, и теплоты от экзотермических реакций самого процесса. Автогенный процесс таким образом, проводится без затрат углеродистого топлива или электроэнергии непосредственно в рабочем пространстве агрегата. Практически в производстве металлов единственной группой реакций, которые могут дать достаточный экзотермический эффект для автогенности процесса, являются реакции окисления компонентов исходного сырья кислородом. Поэтому все автогенные пиропроцессы являются окислительными, для их осуществления требуется подача газообразного кислорода, т. е. кислородосодержащего дутья.

В настоящее время разные виды автогенной плавки рудного сырья в производстве меди и никеля получили широкое распространение и на сегодняшний день являются одними из наиболее перспективных рудоплавильных процессов переработки сульфидных материалов.

Автогенные плавильные процессы подразделяют на разные группы. Во-первых, их различают о агрегатному состоянию окисляющегося материала: твердое или расплавленное; во-вторых, по условиям взаимодействия дутья с окисляемыми сульфидами — слоевого, взвешенного и барботажного типа. В слоевого типа процессах взаимодействие кислорода дутья с сульфидами преимущественно происходит в материале, находящемся в печи в виде не перемешиваемого газопроницаемого массива (например, шахтная плавка). В процессах взвешенного типа сульфидный материал окисляется (и расплавляется) в период пребывания его частиц в диспергированном состоянии в окислительной газовой фазе (например, взвешенная плавка по способу Оутокумпу — «финская» лавка и кислородно-факельная плавка (КФП) в СССР). В барботажного типа процессах окисление сульфидов происходит при вдувании кислородосодержащего газа в объем расплава — отечественные плавка в жидкой ванне (ПЖВ) и автогенная плавка с верхним вертикальным кислородным дутьем (зарубежный процесс ТБРЦ).

Основными продуктами автогенной рудной плавки сульфидного сырья являются штейн, шлак и газы. В некоторых автогенных процессах вместо штейна в качестве конечного продукта получают непосредственно черновую медь

Преимущества автогенных процессов заключаются в огромной экономии энергии, снижении доли ручного труда, повышении автоматизации процессов, увеличении их производительности и т. д.

Особое место среди автогенных процессов занимает плавка в жидкой ванне — процесс Ванюкова. Этот процесс начал разрабатываться в Советском Союзе в 1951 г. Дальнейшие разработка и внедрение до 1986 г. велись под общим научным руководством проф. А. В. Ванюкова.

Первые испытания этого метода плавки были проведены в лабораторных и заводских условиях в 1954--1956 гг. В настоящее время по методу плавки в жидкой ванне работают промышленные установки на медном заводе Норильского ГМК и Балхашском горнометаллургическом комбинате.

Процесс ПЖВ запатентован в ряде зарубежных стран. При разработке процесса плавки в жидкой ванне ставилась задача создания максимально благоприятных условий для протекания всех физико-химических процессов. Предложено несколько вариантов технологического и аппаратурного оформления процесса в зависимости от состава исходного сырья и конечных результатов его переработки. Рассмотрим работу плавильной печи для автогенной и полуавтогенной плавки сульфидных медных концентратов с получением богатого штейна.

Непрерывный рост производства, повышение требований к его качеству, а также поточность технологических процессов создали условия для широкого внедрения средств автоматического контроля и управления.

Схема полного контроля процесса и агрегата должна включать его технологические, тепловые и энергетические характеристики. Поэтому схема контроля состоит из следующих контрольных операций:

учета количества всех израсходованных материалов и всех полученных продуктов;

отбора представительных проб от всех исходных материалов и всех полученных продуктов с последующим их анализом;

непрерывного или периодического измерения всех важнейших параметров процессов и агрегатов: температур, давлений или разрежений, расходов, уровней, составов или концентраций, кислотностей, плотностей, запыленностей, напряжений, силы тока, времени операций и т. п.

Основная задача автоматизации автогенного производства состоит в обеспечении максимальной производительности и максимального извлечения никеля и меди в штейн. Одновременно автоматизация позволяет решать задачи повышения уровня организации производства, оперативности управления технологическими процессами и в целом повышения экономической эффективности производства. Одним из важнейших направлений совершенствования управления является создание автоматизированных систем с применением вычислительной техники.

Особенностью построения АСУ является системный подход ко всей совокупности металлургических, энергетических и управленческих вопросов. Специалист по АСУ ТП должен владеть теорией автоматического управления, разбираться в конструкции металлургических агрегатов и основах технологии, достаточно свободно ориентироваться в работе цифровых вычислительных машин, их математическом и алгоритмическом обеспечении, уметь правильно применять технические средства информационной и управляющей техники.

В АСУ ТП воплощены достижения локальной автоматики, систем централизованного контроля, электронной и вычислительной техники. Кроме того, АСУ ТП производят общую централизованную обработку первичной информации в темпе протекания технологического процесса, после чего информация используется не только для управления этим процессом, но и преобразуется в форму, пригодную для использования на выше стоящих уровнях управления для решения оперативных и организационно-экономических задач.

Внедрение АСУ ТП, как и любое нововведение, связано с определенными трудностями и затратами. На этапе освоения проявляются недостатки отдельных элементов вычислительного комплекса, погрешности примененных алгоритмов управления, недостаточная адаптация персонала к условиям работы с помощью вычислительной техники и другое.

Целью данного курсового проекта является разработка современной АСУ ТП процессом автогенной плавки в печи ПЖВ на обогащенном кислородом дутье кусковой медно-никелевой руды с использованием технических средств на базе программируемых микроконтроллеров и персональных компьютеров (рабочих станций). Разработка структурной, функциональной схем и на их основе принципиально-электрической и монтажно-коммутационной, проектирование щитов КИПиА. Разработка модели и исследование влияния различных параметров на процесс.

1. Плавка в жидкой ванне (ПЖВ)

Рассмотрим работу плавильной печи для автогенной и полуавтогенной плавки сульфидных медных концентратов с получением богатого штейна. Для осуществления процесса плавки предложено использовать частично кессонированную печь шахтного типа. Оптимальная длина промышленных печей определяется потребной единичной мощностью агрегата, т. е. его абсолютной суточной производительностью, и может изменяться от 10 до 30 м и более. Ширина печей при этом с учетом возможностей дутьевого хозяйства и свойств расплавов составляет 2,5--3, высота шахты 6--6,5 м. Отличительной особенностью конструкции печи является высокое расположение дутьевых фурм над подом (1,5--2 м).

Содержание кислорода в дутье для обеспечения автогенного режима при плавке сухой шихты с влажностью менее 1--2% составляет 40--45%, влажной (6--8% влаги) 55--65%. В печи можно плавить как мелкие материалы, так и кусковую шихту. Крупную и влажную шихту загружают непосредственно на поверхность расплава. При необходимости сухие мелкие и пылевидные материалы могут вдуваться через фурмы. Таким образом, плавление шихты и окисление сульфидов в процессе ПЖВ осуществляются непосредственно в слое расплава.

Рисунок 1. Схема печи для плавки в жидкой ванне:

1 -- шихта; 2 -- дутье; 3 -- штейн; 4 -- шлак; 5 -- газы; 6 -- кладка печи; 7 -- медные литые кессоны; 8 -- фурмы; 9 загрузочная воронка; 10 -- аптейк; 11 -- штейновый сифон; 12 шлаковый сифон

Шлак и штейн выпускаются раздельно из нижней части ванны с помощью сифонов.

Характерной особенностью плавки в жидкой ванне, отличающей ее от всех рассмотренных ранее процессов, является то, что плавление и окисление сульфидов осуществляются в ванне шлака, а не штейна, и шлак движется в печи не в горизонтальном направлении, как это имеет место во всех известных процессах плавки, а в вертикальном -- сверху вниз.

Горизонтальной плоскостью по осям фурм расплав в печи делится на две зоны: верхнюю надфурменную (барботируемую) и нижнюю подфурменную, где расплав находится в относительно спокойном состоянии.

В надфурменной зоне осуществляются плавление, растворение тугоплавких составляющих шихты, окисление сульфидов и укрупнение мелких сульфидных частиц. Крупные капли сульфидов быстро оседают в слое шлака, многократно промывая шлак за время его движения сверху вниз в подфурменной зоне. При непрерывном осуществлении процесса устанавливается динамическое равновесие между количеством поступающих с загрузкой мелких сульфидных частиц, скоростью их укрупнения и отделения от шлака. В результате одновременного протекания этих процессов устанавливается постоянное содержание сульфидов (капель) в шлаке, лежащее на уровне 5--10% от массы расплава. Таким образом, все процессы в надфурменной области протекают в шлако-штейновой эмульсии, в которой преобладает шлак.

Окисление сульфидов, как известно, является очень быстрым процессом и обычно не ограничивает конечную производительность агрегатов. В производственных процессах желательно не только не повышать, но даже замедлять скорость окисления сульфидов. Действительно, большие скорости окисления сульфидов, например при продувке жидких сульфидов кислородом, приводят к чрезмерному повышению температуры в области фурм.

Окисление сульфидов в шлако-штейновой эмульсии протекает менее интенсивно, чем в сульфидном расплаве, фокус горения растягивается, что позволяет избежать локального повышения температуры в области фурм даже при использовании чистого кислорода. Это в свою очередь облегчает задачу создания надежной и долговечной аппаратуры. При этом скорость окисления остается достаточно высокой и степень использования кислорода на окисление сульфидов практически равна 100% при любом необходимом его количестве, подаваемом в расплав. Таким образом, и при окислении сульфидов в шлако-штейновой эмульсии скорость их окисления не лимитирует производительности агрегата. Возможность интенсивного окисления сульфидов в шлако-штейновой эмульсии без большого локального повышения температуры в области фурм является важным достоинством плавки в жидкой ванне.

Окисление сульфидов в шлако-штейновой эмульсии представляет собой сложный многостадийный процесс, состоящий из окисления капелек штейна, окисления растворенных в шлаке сульфидов, окисления FeO шлака до магнетита и окисления сульфидов магнетитом. Таким образом, шлак также является передатчиком кислорода. По последним данным, наибольшее значение имеет стадия окисления сульфидов, растворенных в шлаке.

Характерная особенность окисления сульфидов в шлако-штейновой эмульсии состоит в том, что оно не сопровождается образованием первичных железистых шлаков и выпадением мелких сульфидных частиц. Оксиды, образующиеся на поверхности сульфидных капель, немедленно растворяются в шлаке конечного состава.

Отсутствие условий для образования значительных количеств мелкой сульфидной взвеси является важным достоинством плавки в жидкой ванне, создающим предпосылки для получения бедных отвальных шлаков.

Высокая степень использования кислорода обеспечивает простое управление составом штейна и соотношением количеств подаваемого через фурму кислорода и загружаемых за то же время концентратов. Состав штейна можно регулировать в широком диапазоне вплоть до получения белого матта или даже черновой меди. Напомним, что потери меди со шлаком начинают резко возрастать, когда ее содержание в штейне превысит 60%. Поэтому при плавке на штейн, если в технологической схеме не предусматривается специальное обеднение шлака, увеличивать содержание меди в штейне свыше 50--55% нецелесообразно. При получении белого матта или черновой меди в технологическую схему должна обязательно включаться операция обеднения шлаков.

Растворение тугоплавких составляющих шихты является одним из относительно медленных процессов. Энергичный барботаж ванны резко ускоряет процесс растворения кварца и компонентов пустой породы, что позволяет использовать даже сравнительно крупные флюсы. Промышленные испытания показали, что при крупности кварца около 50 мм скорость его растворения не влияет на производительность печи, по крайней мере, вплоть до удельного проплава, равного 80 т/(м2/сут). Высокая скорость растворения тугоплавких составляющих является важной особенностью плавки в жидкой ванне.

Минимальное содержание магнетита в шлаках -- обязательное условие совершенного плавильного процесса. Как уже говорилось, с увеличением содержания магнетита резко возрастает содержание растворенной меди в шлаках. Кроме того, повышение содержания магнетита (степени окисленности системы) приводит к снижению межфазного натяжения на границе раздела штейна и шлака.

2. Тепловая схема печи Ванюкова

Рассматривая плавку рудного сырья в жидкой ванне, можно выявить условия автогенности процесса в зависимости от состава подаваемого дутья — степени обогащения его кислородом.

Основными статьями приходной части теплового баланса является тепло экзотермических реакций окисления диссоциирующей серы и сульфида железа.

В агрегате ПЖВ экзотермические реакции протекают непосредственно в расплаве, и температура технологических газов практически равна температуре шлака в ванне печи.

Аппаратурным оформлением процесса обуславливаются потери тепла печью во внешнюю среду за счет теплопередачи через футеровку, излучения через открытые отверстия и отвода тепла системой охлаждения конструктивных узлов агрегата. Весьма значительна статья потерь тепла за счет охлаждения.

автоматизированный плавление печь ванюков

3. Структура АСУТП

3.1 Обоснование выбора АСУТП

На структурной схеме отображают в общем виде основные решения проекта по функциональной, организационной и технической структурам АСУ ТП с соблюдением иерархии системы и взаимосвязей между технологическим объектом и комплексом технических средств (КТС) системы управления.

Многоуровневая структурная система управления обеспечивает надежность, оперативность, ремонтоспособность системы автоматизации, при этом легко решается оптимальный уровень централизации управления с минимальным количеством технологического контроля, управления и линий связи между ними.

Так как, процесс плавления в жидкой ванне является сложным технологическим процессом, то целесообразно применять многоуровневую структуру управления супервизорного типа.

Супервизорная система с использованием средств локальной автоматики обеспечивает достаточно качественное управление для процессов с относительно небольшим количеством параметров и несложными алгоритмами выработки управляющих воздействий, а использование локальной автоматики уменьшает использование машинного времени ЭВМ, что целесообразно с экономических позиций: один компьютер можно использовать для управления несколькими АСУ, также возможно использование машинного времени для иных операций.

Под супервизорным понимается такой режим работы АСУ ТП, когда на нижних уровнях функционируют регуляторы, управляющие локальными контурами (на базе серийных электронных устройств или контроллеров), а на верхнем — ЭВМ, на которой реализованы задачи управления этими контурами через механизм выдачи управляющих воздействий на автоматические задатчики локальных контуров.

3.2 Автоматическое регулирование печи Ванюкова

Режим плавки оказывает существенное влияние на качество штейна. Для автоматической оптимизации режима работы печи необходимо обеспечить достоверный непрерывный автоматический контроль и управление качеством поступающих в печь шихты, непосредственно контролировать и управлять протеканием тепловых и химических процессов и других параметров. При данном физическом состоянии шихты и ее химическом составе и данном расходе дутья расход воздуха является основным фактором увеличения производительности печи. Системы автоматического регулирования теплового и технологического режима состоят из отдельных узлов автоматического контроля и регулирования основных параметров. Принципиальная схема такой системы контроля и регулирования приведена на чертеже (графический материал и приложение 1). По этой схеме предусмотрен контроль температуры воды на сливе из кессонов, измерение температуры отходящих газов, температура воздуха, температура штейна и шлака. Контроль температуры производится термопарами в комплекте с потенциометрами. При температурах выше 10000С вместо термопар устанавливают оптические пирометры или пирометры с термопарой кратковременного погружения.

Стабилизация вакуумно-дутьевого режима осуществляется автоматическим регулированием давления в зонах. Давление в печи и газоходной системе, давление кислорода и воздуха, подаваемых в печь, измеряется мембранными показывающими тягонапоромерами и манометрами.

Расходы кислорода и воздуха определяют с помощью стандартных комплектов измерительной аппаратуры, включающих измерительную диафрагму, дифманометр и вторичный регистрирующий прибор.

Расход воды измеряют диафрагмой, бесшкальным датчиком с электропередачей и вторичным прибором расходомера.

Предусматривается автоматическое регулирование уровень шихты в печи регулируется уровнемером электромеханическим для сыпучих тел.

Контроль содержания кислорода в дутье производится автоматическим газоанализатором МГК-348 со специальными отборными устройствами.

Таким образом, описанная выше система решает задачи автоматического контроля и регулирования режима работы печи Ванюкова в нормальных эксплутационных условиях и при непрерывном действии.

3.3 Функции и структура управления

В соответствии с задачами управления проектируемая АСУПТ должна выполнять следующие функции:

— сбор, обработка и документирование информации о процессе;

— управление материальными и энергетическими потоками;

— стабилизация качественных и режимных показателей технологического процесса;

— автоматическое и тестовое диагностирование элементов технического и программного обеспечения АСУТП, а также состояния технологического оборудования;

— представление технологическому и обслуживающему персоналу информации об управляемом процессе с помощью видео терминальных и печатающих устройств;

— обеспечение диалога оператор-система, включающего инструментальные средства воздействия на процесс управления.

Для реализации перечисленных функций целесообразно использовать иерархическую архитектуру АСУТП, включающую три уровня управления:

На нижнем уровне снимаются показания с датчиков и передаются на котроллер, производится управление исполнительными механизмами.

На среднем уровне происходит формирование управляющих воздействий, передаваемых на исполнительные механизмы.

На верхнем уровне осуществляется оптимизация технологии процесса шахтной плавки по заданному критерию. Критерий управления выражается как максимальное извлечение меди и никеля в штейн.

Рабочая станция связана с микропроцессорными контроллерами стандартным интерфейсом.

Операторская станция и микропроцессорные контроллеры должны быть расположены в специальном операторском помещении.

Микропроцессорные контроллеры проектируемой АСУТП должны выполнять следующие функции:

— обеспечивать сбор информации от датчиков и предварительную ее обработку (проверка на достоверность, фильтрацию, усреднение);

— формировать по заданным алгоритмам сигналы для исполнительных механизмов;

— передавать в операторскую станцию от датчиков и принимать от нее командные сигналы, формируемые на верхнем уровне;

Микропроцессорные контроллеры связываются с исполнительными механизмами через панели дистанционного управления, которые для всех контуров регулирования обеспечивают переключение режимов управления с автоматического (от контроллера) на ручное (от панели) и обратно и включение индикаторов положения регулирующих органов.

Операторская станция проектируемой АСУТП должна выполнять следующие функции:

— отображать на динаминимизированных мнемосхемах и трендах основные параметры технологического процесса, качество управления ими и состояние технологического оборудования;

— формировать по заданным алгоритмам командные сигналы и передавать их в микропроцессорный контроллер;

— вызывать на панели управления технологическими параметрами;

— формировать по специальным алгоритмам диагностики аларменные сообщения и отображать их на мониторе;

— обеспечивать расчет технико-экономических показателей процессов и отображать их в специальных таблицах;

— архивировать информацию, формировать сводки и отчеты и передавать информацию на печатающее устройство;

Декомпозиция алгоритмических задач между контроллерами и операторской станцией должна быть определена при проектировании математического обеспечения системы. Микропроцессорные контроллеры, как наиболее надежный элемент системы управления, целесообразно использовать для формирования контуров управления, стабилизирующих материальные и энергетические потоки.

Установки, формируемые на верхнем уровне, при поступлении в микропроцессорный контроллер должны быть повергнуты проверке на достоверность.

Практически вся дискретная информация, поступающая в контроллеры, должна быть использована для оценки и диагностики состояния оборудования и программно-технических средств АСУТП.

4. Анализ показателей надежности функций АСУТП технологического передела

Анализ эксплуатационной надежности реальных УВК показывает, что оценки интенсивности отказов по показателям безотказности элементов не совпадают с реальными, получаемыми в практике работы АСУТП. Показатели безотказности КТС (особенно цеховых) существенно зависят от условий эксплуатации и окружающей среды; у УВК не наблюдаются участка с постоянной интенсивностью отказов, т.к. период приработки элементов УВК растягивается во времени и накладывается на приработку персонала и программного обеспечения. Поэтому анализ отказов позволяет разработать мероприятия по повышению надежности КТС АСУТП и создать работоспособную службу, способную поддержать постоянство характеристик надежности промышленной АСУТП.

Большинство аппаратуры КТС АСУТП являются приборами общепромышленного назначения, поэтому требования к КТС задают обычно безотносительно к конкретной АСУТП и ТОУ. Из этого следует, что критерии отказов являются понятиями независимыми. Отказы бывают внезапными и постепенными. Внезапный отказ — скачкообразное изменение одного из параметров надежности прибора. Внезапные отказы — поломки, сгорание элементов, залипание контактов, обрыв электрических цепей. Постепенное изменение характеристик прибора является причиной постепенного отказа. Постепенные отказы — изменение сопротивления потенциометров, загрязнение реохордов, дрейф нуля усилителей. По степени нарушения работоспособности отказы бывают полными и частичными. По характеру внешних проявлений отказы бывают явные и скрытые. Для АСУТП помимо отказов КТС важными являются отказы функций, как простых, так и составных, непрерывных, дискретных, комбинированных.

Полагается, что время безотказной работы всех элементов системы распределено по экспоненциальному закону. Время восстановления работоспособности элементов системы (Тв) является «эксплуатационным» и, помимо «технического» по паспорту завода-изготовителя, включает в себя дополнительные составляющие, зависящие от принятой на заводе службы эксплуатации и ремонта технических средств. Эти составляющие включают время ожидания между моментом обнаружения отказа и началом поиска его причины, время, необходимое для обеспечения ремонтного персонала инструментом, материалами, запасными частями и устройствами, время ожидания между моментом завершения устранения отказа и моментом включения элемента и другие менее значимые составляющие.

Синтез системы управления технологическим процессом требует знания, по крайней мере, статических и динамических характеристик технологического объекта, который является предметом автоматизации. Источником информации об объекте управления обычно являются специально поставленные исследования технологических процессов и динамических свойств объекта управления и техническая документация на приборы и средства автоматизации.

4.1 Расчет надежности измерительных каналов

Оценка надежности элемента системы для измерения температуры отходящих газов:

/

/

Тип

Наработка на отказ о, час

Интенсивность отказов о 1/час

Время восстановления в, час

ТСМ 9623

10 500

0. 950

1. 3

Средняя наработка до отказа, где интенсивность отказов (параметр распределения наработки до отказа).

=1/0. 950=10526час

Коэффициент готовности

kг = /(+ в),

— средняя наработка до отказа системы,

в — среднее время восстановление работоспособности системы).

kг = /(+ в)=10 526/(10 526+1,3)=0,9999

Оценка надежности элемента системы для регулирования расхода.

/

/

Тип

Наработка на отказ о, час

Интенсивность

отказов о 1/час

Время восстановления в, час

РОСТ 13. 3

32 570

0,307

8

МЭО-87

20 000

0,5

0,3125

Электрические соединительные линии

48 000

0,208

0,95

Суммарная интенсивность отказов:

Коэффициент готовности:

Общий коэффициент готовности для цепочки:

Коэффициент оперативной готовности:

Коэффициент технического обслуживания

4.2 Оценка погрешностей измерительных каналов

Синтез системы управления технологическим процессом требует знания, по крайней мере, статических и динамических характеристик технологического объекта, который является предметом автоматизации. Источником информации об объекте управления обычно являются специально поставленные исследования технологических процессов и динамических свойств объекта управления и техническая документация на приборы и средства автоматизации.

При проектировании АСУТП технологического передела расчетная оценка погрешности измерительных каналов проводится для ИК, построенных из последовательно включенных аналоговых элементов с линейными функциями преобразования и нормированными метрологическими характеристиками (МХ). Используются данные о номинальных статических характеристиках преобразователей ИК, имеющих выходные сигналы.

В АСУТП цифровые сигналы на выходе АЦП подвергаются масштабированию, которое подразумевает перевод сигнала-кода АЦП в численное значение контролируемого параметра в физических единицах измерения (натуральных единицах). Операция масштабирование есть преобразование по формуле:

Xi[ j ] = koi + ki KXi [ j ],

где Xi[ j ] - численное значение контролируемого параметра Хi(t) на j-ом шаге опроса датчика сигнала; koi, ki — коэффициенты масштабирования i — го сигнала АСУТП; KXi[j] - код АЦП на j — ом шаге контроля сигнала Хi(t). Нелинейные сигналы масштабируются по нелинейным формулам. Операции, аналогичные масштабированию по формулам, происходят и при последовательных преобразованиях сигнала в аналоговых элементах, входящих в состав ИК.

Обычно на практике выполняются расчеты оценки погрешностей многозвенных ИК, с учетом следующих допущений:

- значения измеряемого технологического параметра установились и переходные процессы в ИК завершились;

— все элементы ИК имеют линейную характеристику и находятся в нормальных условиях;

— распределение погрешностей элементов ИК в диапазоне, ограниченном пределами допустимых погрешностей, равномерное,

— расчеты выполняются для представительных значений контролируемого параметра.

Общее выражение для выходного сигнала ИК X в зависимости от численных значений входного сигнала ИК xo определяется функциональной зависимостью:

X = f (xo, k1, k2,… , kn);

где k1, k2 ,…, kn — коэффициенты преобразования сигналов на 1, 2,…, n на элементах ИК.

Абсолютное значение систематической составляющей суммарной статической погрешности ИК Хс равно полному приращению функции преобразования сигнала:

Х = fо,k1+k1, k2+k2, … , kn+kn ) — f о, k1, k2, … , kn);

где ki — систематическая погрешность i-го элемента ИК в пересчете на коэффициент передачи i-го элемента. Это выражение удобно заменить приближенной формулой:

Хс = ki;

для относительной погрешности с эта сумма запишется в виде:

с = .

На практике часто принимают не занижающие оценки абсолютных погрешностей преобразования сигнала на выходе ИК max по известным абсолютным величинам погрешности преобразования i-го элемента i: максимальная завышающая оценка

max = i;

среднеквадратическая не занижающая оценка

Хс = 1. 1 i2.

По этим величинам можно рассчитать удобные для сравнения относительные оценки погрешности контроля технологических параметров:

.

4.3 Расчет погрешности измерительных каналов

Приведем пример расчета оценки погрешности измерительных каналов.

1. Структурная схема измерительного канала измерения расхода воды на охлаждение имеет следующий вид:

/

/

Исходные данные приведены в таблице:

Прибор

Граница приведенной погрешности, % ()

РОСТ 13. 3

1,5

МЭО-87

0,4

Xmin=300 м3/ч, Xmax=825м3

а) Абсолютная величина погрешности датчика:

1 =ш1x1 11N

где ш1 — отношение пределов измерения сигналов на выходе 1-го элемента ИК к пределам изменения измеряемого технологического параметра X;

x1 — отношение измеренной величины параметра Х (эта величина принимается равной 0. 75 Ximах, i = 0, 1, 2, …) к измеренной величине выходного сигнала на выходе 1-го элемента ИК;

1 — предельное значение основной приведенной погрешности (Р = 0. 95) сигнала на выходе 1-го элемента ИК;

1N — нормирующее значение сигнала Х1(t) на выходе 1-го элемента

;

X1max=850 м3/ч — предел измерения датчика

X1min= 0 м3

X — принимается 75% от Xmax:

X1 — принимается 75% от: X1max

1 =ш1x1 11N =

б) Первичный преобразователь

2) Рассчитаем максимальную завышающую оценку:

3) Среднеквадратическая не занижающая оценка равна:

4) Относительные оценки погрешности контроля технологических параметров:

Тип

X1max

X1min

X1

1

ш1

1

РОСТ 13. 3

850

0

618,75

1,5

0,91

0, 75

3,17

Тип

X1max

X1min

X1

1

1

мэо-87

5,1

0

3,82

0,4

156,49

1,27

max

,%

4,44

0,7

0,4

1. Структурная схема измерительного канала измерения состава отходящих газов имеет следующий вид:

/

/

2. Исходные данные

Прибор

Граница приведенной погрешности, %

показывающий прибор

2

3. Результаты расчета. Рассмотрим показывающий прибор ГИАМ — 14:

Абсолютная величина погрешности элемента:

, где

X принимается 0,75 от xmax:

x1 принимается 0,75 от x1max:

x1min = 0мА, x1max = 5мА

— рассчитывается таким образом, так как дается в процентах, поэтому делим на 100%.

4. Рассчитываем максимальную завышающую оценку:

Среднеквадратическая незанижающая оценка равна:

Относительные оценки погрешности контроля технологических параметров:

Заключение

В курсовом проекте разработана АСУ ТП процесса плавления медно-никелевого концентрата в печи Ванюкова.

В проекте разработна трехуровневая супервизорная система автоматизации на базе персонального компьютера, микроконтроллера, а также средств локальной автоматики. Дано подробное описание структурной и функциональной схем. Представлен щит КИПиА, состоящий из панелей. Все схемы представлены в графической части проекта.

Полученные значения относительной погрешности укладываются в 5% и, следовательно, приборы удовлетворяют техническим требованиям.

По вычисленным коэффициентам: коэффициент готовности, общий коэффициент готовности для цепочки, коэффициент оперативной готовности, коэффициент технического обслуживания можем сделать вывод, что выбранные схемы АСУТП удовлетворяют требования к качеству работы АСУТП печи Ванюкова.

Список используемой литературы

1. Диомедовский Д. А. Контроль и автоматизация процессов цветной металлургии. Москва-1965

2. Ванюков А. В. Комплексная переработка медного и никелевого сырья. Челябинск-1988

3. Каганов В. Ю., Блинов О. М. Автоматизация управления металлургическими процессами. М.: Металлургия, 1974. -416с.

Приложение 1

Программируемый контроллер для управления промышленными объектами OCTAGON SYSILM 5081. Максимальное количество дискретных вх/вых-10, максимальное количество вх/вых-20. Параметры аналоговых сигналов 0. 5, 4. 20 мА, 0. 20 В; интерфейс RS232; RSS485

п/п

Позиции, обознач. по проекту

Наименование параметра или механизма

Функция устройства

Предел измерения

Средство и место отбора датчика

Тип датчика основной аппаратуры и место установки

Вид сигнала

Контроллер

К-во

По месту

Панели

ввод

вывод

ПА

П

1

WE 1

Контроль уровня шихты в печи

Уровнемер электромеханический РОС 101

Регулирование

Регистрация

3−16 м

Шахта печи

+

+

0−5мА

+

+

1

3

TЕ 2

Температура отходящих газов

ТСМ 9623

Измерение

300−9000С

Абтейк

+

+

0−5мА

+

+

1

4

ТЕ 3

Измерение температуры воздуха

Термопреобразователь с выходным сигналом

ТС 5008

измерение

5−4000С

Перед фурмами

+

+

0. 5, 4. 20 мА

+

1

5

ТЕ 4

ТЕ 5

Измерение температуры охлаждающей воды

Термопреобразователь с выходным сигналом ТС 5008

измерение

5−600С

Трубопровод охлаждающей воды

+

+

0. 5, 4. 20 мА

+

2

6

ТЕ 6

Температура штейна

Термоэлектрический пирометр РАПИР

измерение

400−13000С

Штейновый сифон

+

+

0. 5, 4. 20 мА

+

1

7

ТЕ 7

Температура шлака

Термоэлектрический пирометр РАПИР

измерение

1000−14000С

Шлаковый сифон

+

+

0. 5, 4. 20 мА

+

1

8

FE 8а

FE 9а

Расход воздуха и кислорода

Преобразователь расхода микропроцессорный РОСТ 13. 3

Измерение

10−1500 м3

Трубопровод подачи воздуха и кислорода

+

+

0.5. 4. 20 мА

+

2

9

8'9'

Электродвигатель однооборотный МЭО-87

Положение ИМ

регулирование

40/100,25−87

Трубопровод подачи воздуха и кислорода

+

+

2

10

FE 10а

Расход воды на охлаждение РОСТ 13. 3

измерение

30−600 м3

Трубопровод охлаждающей воды

+

+

0. 5, 4. 20 мА

+

1

11

10'

Электродвигатель однооборотный МЭО-87

Положение ИМ

регулирование

40/10

0,25−87

Трубопровод охлаждающей воды

+

+

1

12

PI 11

PI 12

Давление воздуха и кислорода

Электронный манометр М100

измерение

500−3000 мм. вод. ст

Воздухопровод и кислородопровод

+

+

0. 20, 4. 20 мА

+

2

13

QI 13

Содержание кислорода в дутье

Автоматический газоанализатор на кислород АГ-0011

измерение

60−65%

Трубопровод перед фурмами

+

+

0.5 мА

+

1

14

PI 14

PI 15

Давление в печи и газоходной системе

ДМ 2010

измерение

10−1000 мм. вод. ст.

Шахта печи и аптейк

+

+

0. 20, 4. 20 мА

+

2

15

QI 16

Состав отходящих газов

Автоматический газоанализатор ГИАМ-14

измерение

аптейк

+

+

0.5 мА

+

1

16

WE 17а

Количество загружаемой шихты

Весоизмеритель с тензодатчиком ТД206

измерение

100−1000 Мг/сутки

Конвеерная лента перед загрузочной воронкой

+

+

0. 20, 4. 20 мА

+

1

17

17'

Механизмы исполнительные электрические однооборотные

10 000/8−0,25У

регулирование

1оборот-8секунд

Привод воронки

+

+

1

18

WI 18

WI 19

Количество

Полученного штейна и шлака

Весоизмеритель с тензодатчиком ТД206

измерение

50−800 Мг/сутки

ковш

+

+

0. 20, 4. 20 мА

+

2

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой