ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-УЧЕБНАЯ УСТАНОВКА АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Полезная модель относится к области учебно-экспериментальных стендов для изучения, исследования и оптимизации систем автоматизированного управления технологическими процессами в целлюлозно-бумажной промышленности.
Известен учебный стенд, предназначенный для проведения лабораторных работ по курсу «Автоматизация технологических процессов и производств». Учебный стенд представляет собой модель технологической установки, включающей в себя следующее оборудование: технологические емкости (3 шт.); насос, управляемый частотным преобразователем; датчики давления и температуры; расходомеры (массовый, вихревой, электромагнитный, ротаметр); нагреватель; регулирующий клапан с электроприводом; ультразвуковой уровнемер; 16-ти канальный регистратор с ЖК-дисплеем; одноконтурный ПИД-регулятор температуры; микропроцессорные измерители параметров электроэнергии. Учебный стенд предназначен для моделирования следующих процессов: перекачивания жидкости; нагрева жидкости; регулирования давления жидкости; регулирования уровня жидкости; регулирования расхода жидкости; регулирования температуры жидкости ( Учебный стенд на базе оборудования Yokogawa. Уфимский государственный нефтяной технический университет в г.Салавате. 2010 г.).
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является учебный стенд «Гидравлический объект», предназначенный для моделирования гидравлических и термодинамических технологических процессов, и который может быть использован для построения учебных систем управления технологическими процессами. Стенд содержит основной бак, разделенный на две части, две переливные трубы, питающий трубопровод с расходомером Вентури и ручным вентилем, сливной бак, всасывающий трубопровод с насосом. Стенд снабжен циркуляционным баком, трубой стока, трубой выравнивающей, двумя циркуляционными трубами, вторым ручным вентилем, электрическим нагревателем, двумя датчиками температуры с электрическими выходными сигналами, тремя датчиками уровня с электрическими выходными сигналами, двумя реле протока с электрическими выходными сигналами, двумя датчиками расхода с электрическими выходными сигналами, датчиком давления с электрическим выходным сигналом, тремя электроприводными регулирующими клапанами, причем первая часть основного бака расположена выше второй его части, а сливной бак и циркуляционный бак установлены на одном уровне и соединены между собой трубой выравнивающей, образуя два сообщающихся сосуда, первая и вторая части основного бака через первый и второй ручные вентили соединены с питающим трубопроводом, первый электроприводной регулирующий клапан установлен на трубе стока, соединяющей первую часть основного бака со второй его частью, первый датчик расхода и второй электроприводной регулирующий клапан установлены на первой циркуляционной трубе, соединяющей первую часть основного бака с циркуляционным баком, второй датчик расхода и третий электроприводной регулирующий клапан установлены на второй циркуляционной трубе, соединяющей вторую часть основного бака с циркуляционным баком, первое и второе реле протока установлены на первой и второй переливной трубе соответственно, первый датчик уровня и первый датчик температуры установлены в первой части основного бака, второй датчик уровня и второй датчик температуры установлены во второй части основного бака, третий датчик уровня с дискретным электрическим выходом установлен в циркуляционном баке, в который опущена всасывающая труба насоса (Патент на полезную модель RU №100155 от 10.12.2010). Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели - циркуляционная, основная и сливная емкости, соединенные трубопроводами; циркуляционная емкость снабжена питающим трубопроводом; основная емкость снабжена нагревательным элементом, датчиком температуры, датчиком уровня и системой защиты от перелива.
Недостатком известных стендов является ограниченность их функциональных возможностей, обусловленная отсутствием в составе оборудования стендов системы приготовления раствора и датчика измерения концентрации, что препятствует созданию автоматических систем приготовления раствора и регулирования его концентрации. Также недостатком является отсутствие специальной емкости и технологического оборудования, что делает невозможным моделирование работы напорного ящика.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель - расширение ее функциональных, учебных и научно-исследовательских возможностей.
Поставленная задача была решена за счет того, что известная экспериментально-учебная установка, содержащая соединенные трубопроводами циркуляционную, основную и сливную емкости, при этом циркуляционная емкость снабжена питающим трубопроводом, основная емкость снабжена нагревательным элементом, датчиком температуры, датчиком уровня и системой защиты от перелива, содержит две дополнительные емкости, в питающий трубопровод включен регулирующий клапан с электроприводом для подачи водопроводной воды, основная емкость снабжена шнековым устройством с электроприводом для дозированной подачи реагента, выполнена цельной и соединена с первой дополнительной емкостью посредством системы трубопровода, содержащей ручной вентиль, сетевой насос с частотно регулируемым электроприводом, датчик расхода и регулирующий клапан с электроприводом, циркуляционная емкость соединена с основной и первой дополнительной емкостями посредством аналогичной системы трубопровода, вторая дополнительная емкость выполнена в виде напорного ящика закрытого типа, снабжена компрессором и регулирующим клапаном с пневмоприводом и разделена вертикальной перегородкой на две камеры, при этом обе камеры соединены с первой дополнительной емкостью посредством системы трубопровода, включающей ручной вентиль, сетевой насос с частотно регулируемым электроприводом, датчик измерения концентрации, датчик расхода и регулирующий клапан с электроприводом, вторая дополнительная емкость соединена со сливной емкостью посредством системы трубопровода, включающей датчик давления и регулирующий клапан с электроприводом, а для использования оборотной воды сливная емкость соединена с основной емкостью посредством системы трубопровода, содержащей ручной вентиль, сетевой насос с частотно регулируемым электроприводом, при этом все емкости снабжены датчиками уровня, системой защиты от перелива и соединены с дренажной системой, соединенной с системой канализации.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - содержит две дополнительные емкости; в питающий трубопровод включен регулирующий клапан с электроприводом для подачи водопроводной воды; основная емкость снабжена шнековым устройством с электроприводом для дозированной подачи реагента, выполнена цельной и соединена с первой дополнительной емкостью посредством системы трубопровода, содержащей ручной вентиль, сетевой насос с частотно регулируемым электроприводом, датчик расхода и регулирующий клапан с электроприводом; циркуляционная емкость соединена с основной и с первой дополнительной емкостями посредством системы трубопровода, содержащей ручной вентиль, сетевой насос с частотно регулируемым электроприводом, датчик расхода и регулирующий клапан с электроприводом; вторая дополнительная емкость выполнена в виде напорного ящика закрытого типа, разделена вертикальной перегородкой на две камеры и снабжена компрессором и регулирующим клапаном с пневмоприводом; обе камеры второй дополнительной емкости соединены с первой дополнительной емкостью посредством системы трубопровода, включающей ручной вентиль, сетевой насос с частотно регулируемым электроприводом, датчик измерения концентрации раствора, датчик расхода и регулирующий клапан с электроприводом; вторая дополнительная емкость соединена со сливной емкостью посредством системы трубопровода, включающей датчик давления и регулирующий клапан с электроприводом; сливная емкость соединена с основной емкостью посредством системы трубопровода, содержащей ручной вентиль, сетевой насос с частотно регулируемым электроприводом; все емкости снабжены датчиками уровня и соединены с дренажной системой, соединенной с системой канализации.
Расширение функциональных, учебных и научно-исследовательских возможностей учебной установки достигается за счет построения физической модели реального участка технологического процесса. Система автоматического управления процессом работы напорного ящика закрытого типа, разделенного вертикальной перегородкой на две камеры, позволяет с помощью управляемой воздушной подушки и двух регулирующих вентилей на подаче массы, имитировать работу реального напорного ящика разного объема в однокамерном или двухкамерном вариантах. Система управления воздушной подушкой, состоящая из компрессора, осуществляющего подачу воздуха в напорный ящик, и регулирующего клапана с пневмоприводом для сброса воздуха, позволяет получить стабильный поток массы на выходе. Имитация бумажной массы осуществляется с помощью специального раствора, для приготовления которого используется емкость, снабженная устройством дозированной подачи реагента и нагревательным элементом для ускорения процесса приготовления раствора требуемой концентрации.
Постановка и решение задачи критериального сравнения на основе теории подобия гидродинамических процессов дает возможность переориентировать данные, полученные на экспериментальной установке на реальный технологический процесс.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где представлен общий вид экспериментально-учебной установки.
Экспериментально-учебная установка (фиг.) состоит из циркуляционной 1 емкости, основной 2 емкости, сливной 3 емкости и двух дополнительных 4, 5 емкостей, моделирующих основные технологические бассейны участка массоподготовки целлюлозно-бумажного производства. К циркуляционной 1 емкости подсоединен источник чистой воды через регулирующий клапан с электроприводом 6. Циркуляционная 1 емкость соединена посредством системы трубопровода с основной 2 и первой дополнительной 4 емкостями. Система трубопровода содержит ручной вентиль 7, сетевой насос 8 и регулирующие клапаны с электроприводом 9 и 10. На выходе насоса 8 установлен датчик расхода 11.
Основная 2 емкость снабжена шнековым устройством подачи 12 с электроприводом 13 для осуществления дозированной подачи реагента. Для управления процессом приготовления специального раствора в основной 2 емкости установлен датчик температуры 14, нагревательный элемент 15. Основная 2 емкость соединена с первой дополнительной 4 емкостью посредством системы трубопровода, содержащей ручной вентиль 16, сетевой насос 17, датчик расхода 18 и регулирующий клапан с электроприводом 19. Первая дополнительная 4 емкость соединена со второй дополнительной 5 емкостью посредством системы трубопровода, включающей ручной вентиль 20, сетевой насос 21 и регулирующие клапаны с электроприводом 22 и 23. После насоса 21 установлены датчик измерения концентрации 24 и датчик расхода 25. Вторая дополнительная 5 емкость, моделирующая работу напорного ящика закрытого типа, для создания в ней воздушной подушки соединена с компрессором 26. Сброс воздуха из емкости 5, для управления воздушной подушкой осуществляется регулирующим клапаном с пневмоприводом 27. Для моделирования различных режимов работы напорного ящика емкость 5 разделена вертикальной перегородкой на две камеры. Вторая дополнительная емкость 5 соединена со сливной 3 емкостью посредством системы трубопровода, включающей датчик давления 28 и регулирующий клапан 29. Для использования оборотной воды сливная 3 емкость соединена с основной 2 емкостью посредством системы трубопровода, содержащей ручной вентиль 30 и сетевой насос 31. Все емкости 1-5 соединены через ручные вентили 32, 33, 34, 35, 36, 37 с дренажной системой, которая через ручной вентиль 38 соединена с системой канализации. Все сетевые насосы 8, 17, 21, 31 установки снабжены частотно-регулируемым электроприводом (на фиг. не показаны). Все емкости снабжены датчиками уровня 39, 40, 41, 42, 43 и системами защиты от перелива (на фиг. не показаны).
Работа с экспериментально-учебной установкой осуществляется следующим образом.
Подготовительная стадия - открываются ручные вентили 7, 16, 20, 30, а ручные вентили 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 переводят в закрытое положение. Циркуляционная 1 емкость заполняется водой до заданного уровня, который контролируется с помощью датчика уровня 39 и поддерживается изменением величины открытия регулирующего клапана с электроприводом 6. Далее до заданного уровня через регулирующий клапан с электроприводом 9 с помощью сетевого насоса 8 заполняется основная 2 емкость, контроль расхода в трубопроводе осуществляется датчиком расхода 11. После заполнения до заданного уровня основной 2 емкости, что определяется по датчику уровня 40, в основной 2 емкости включается электронагреватель 15 и выполняется подача реагента шнековым устройством подачи 12 с электроприводом 13, нагрев осуществляется до заданной температуры, которая контролируется датчиком температуры 14.
Рабочая стадия - в первую дополнительную 4 емкость, с помощью сетевого насоса 8 и через регулирующий клапан с электроприводом 10 подается с заданным расходом свежая вода из циркуляционной 1 емкости, а также посредством сетевого насоса 17 через регулирующий клапан с электроприводом 19 подается раствор из основной 2 емкости, расход которого контролируется с помощью датчика расхода 18, что позволяет получить в первой дополнительной 4 емкости заданную концентрацию раствора, которая контролируется в трубопроводе на выходе первой дополнительной 4 емкости с помощью датчика измерения концентрации 24. Контроль уровня в первой дополнительной 4 емкости осуществляется с помощью датчика уровня 41. Далее раствор посредством сетевого насоса 21 с заданным расходом, который контролируется с помощью датчика расхода 25, через регулирующие клапаны с электроприводом 22, 23 поступает во вторую дополнительную 5 емкость, выполненную в виде напорного ящика закрытого типа, где, при помощи компрессора 26 и регулирующего клапана с пневмоприводом 27 создается воздушная подушка.
Стабилизация потока на выходе дополнительной 2 емкости достигается одновременным регулированием уровня раствора в емкости, контролируемого датчиком уровня 42 и суммарного напора, контролируемого датчиком давления 28 при помощи воздействия на частотно-регулируемый электропривод сетевого насоса 21 и воздействия на пневмопривод регулирующего клапана 27.
Выполнение второй дополнительной 5 емкости в виде напорного ящика закрытого типа с разделительной перегородкой, управление подачей массы с помощью регулирующих клапанов с электроприводом 22 и 23, а также управляемая воздушная подушка, в совокупности позволяют моделировать различные режимы работы напорного ящика. Стабильный поток раствора из второй дополнительной 5 емкости поступает через регулирующий клапан с электроприводом 29 в сливную 3 емкость, моделирующую бассейн подсеточной воды, уровень раствора в которой контролируется с помощью датчика уровня 43, далее раствор подается в основную 2 емкость посредством сетевого насоса 31, имитируя оборотную воду в технологическом процессе массоподготовки.
После завершения работы с экспериментально-учебной установкой необходимо выполнить слив раствора в канализацию, для чего следует открыть ручные клапаны 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38.
Автоматизированная система управления технологическим процессом учебно-экспериментальной установки выполнена в виде централизованной системы. Весь объект представляет собой одну систему контроля и управления.
В составе автоматизированной системы выделяются три уровня, обеспечивающие функции оперативного контроля и управления - нижний, средний и верхний.
Нижний уровень системы управления включает приборы и механизмы, непосредственно управляющие процессом и регистрирующие контролируемые технологические параметры. Подсистема нижнего уровня решает задачи: преобразования измеряемых параметров в электрические сигналы, поддерживаемые модулями устройств связи с объектом (УСО); индикации значений параметров; преобразования управляющих сигналов в механические и другие виды воздействий на течение технологического процесса.
Средний уровень включает модули УСО, программируемый логический контроллер (ПЛК), программное обеспечение контроллера, оборудование и проводки промышленной сети передачи данных. Подсистема среднего уровня обеспечивает: сбор и обработку сигналов от датчиков и приборов КИП; выявление отклонений технологических параметров процесса от допустимых значений и выдачу сигналов для аварийной защиты и блокировки технологического оборудования; расчет и выдача в виде электрических сигналов, управляющих воздействий для исполнительного механизма и технологических агрегатов с целью реализации алгоритма управления технологическим процессом и регулирования значений параметров; представление информации (индикация и визуализация) по критичным параметрам; передачу данных между УСО и ПЛК, ПЛК и верхним уровнем; автоматическую самодиагностику и диагностирование подсистем нижнего уровня.
Верхний уровень системы представлен SCADA-системой, которая осуществляет визуализацию технологического процесса. Основные компоненты верхнего уровня: рабочая инженерная станция, аппаратные и программные средства для обеспечения обмена данными с контроллерами. Подсистема верхнего уровня решает задачи: диагностирования подсистем среднего и верхнего уровней; конфигурирования и настройки контролеров, сети передачи данных, каналов измерения; ведения архивов изменения параметров системы управления; формирования отчетов произвольной формы и содержания по запросу оператора.
Таким образом, заявляемая полезная модель по сравнению с прототипом имеет более широкие функциональные возможности, так как в совокупности с микроконтроллерной системой автоматического управления, позволит осуществлять обучение специалистов, а так же проводить исследования как с локальной, так и совместной настройкой контуров регулирования с целью практической оптимизации контуров регулирования на физической модели технологического процесса, который является аналогичным существующему технологическому процессу целлюлозно-бумажного производства.