Главная       Продать работу       Блог       Контакты       Оплата       О нас       Как мы работаем       Регистрация       Вход в кабинет
Тех. дипломные работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   электроснабжение
   пищевая промышленность
   водоснабжение
   газоснабжение
   автоматизация
   теплоснабжение
   холодильники
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. курсовые работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   детали машин
   электроснабжение
   газоснабжение
   водоснабжение
   пищевая промышленность
   автоматизация
   теплоснабжение
   ТММ
   ВСТИ
   гидравлика и пневматика
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. дополнения
   Отчеты
   Расчетно-графические работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Чертежи и 3D моделирование
   Тех. soft
   Рефераты
   Общий раздел
   Технологический раздел
   Конструкторский раздел
   Эксплуатационный раздел
   БЖД раздел
   Экономический раздел
   Экологический раздел
   Автоматизация раздел
   Расчетные работы

Гум. дипломные работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. курсовые работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. дополнения
   Отчеты
   Расчетные работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Сочинения
   Гум. soft
   Рефераты

Рефераты
   Авиация и космонавтика
   Административное право
   Арбитражный процесс
   Архитектура
   Астрология
   Астрономия
   Банковское дело
   Безопасность жизнедеятельнос
   Биографии
   Биология
   Биология и химия
   Биржевое дело
   Ботаника и сельское хоз-во
   Бухгалтерский учет и аудит
   Валютные отношения
   Ветеринария
   Военная кафедра
   ГДЗ
   География
   Геодезия
   Геология
   Геополитика
   Государство и право
   Гражданское право и процесс
   Делопроизводство
   Деньги и кредит
   ЕГЭ
   Естествознание
   Журналистика
   ЗНО
   Зоология
   Издательское дело и полиграф
   Инвестиции
   Иностранный язык
   Информатика
   Информатика, программировани
   Исторические личности
   История
   История техники
   Кибернетика
   Коммуникации и связь
   Компьютерные науки
   Косметология
   Краеведение и этнография
   Краткое содержание произведе
   Криминалистика
   Криминология
   Криптология
   Кулинария
   Культура и искусство
   Культурология
   Литература : зарубежная
   Литература и русский язык
   Логика
   Логистика
   Маркетинг
   Математика
   Медицина, здоровье
   Медицинские науки
   Международное публичное прав
   Международное частное право
   Международные отношения
   Менеджмент
   Металлургия
   Москвоведение
   Музыка
   Муниципальное право
   Налоги, налогообложение
   Наука и техника
   Начертательная геометрия
   Оккультизм и уфология
   Остальные рефераты
   Педагогика
   Политология
   Право
   Право, юриспруденция
   Предпринимательство
   Прикладные науки
   Промышленность, производство
   Психология
   психология, педагогика
   Радиоэлектроника
   Реклама
   Религия и мифология
   Риторика
   Сексология
   Социология
   Статистика
   Страхование
   Строительные науки
   Строительство
   Схемотехника
   Таможенная система
   Теория государства и права
   Теория организации
   Теплотехника
   Технология
   Товароведение
   Транспорт
   Трудовое право
   Туризм
   Уголовное право и процесс
   Управление
   Управленческие науки
   Физика
   Физкультура и спорт
   Философия
   Финансовые науки
   Финансы
   Фотография
   Химия
   Хозяйственное право
   Цифровые устройства
   Экологическое право
   Экология
   Экономика
   Экономико-математическое мод
   Экономическая география
   Экономическая теория
   Этика
   Юриспруденция
   Языковедение
   Языкознание, филология

Главная > Тех. дипломные работы > автоматизация
Название:
Автоматизация процесса парообразования в котле ДКВР-20-13 на «Третьем Березниковском калийном производственном рудоуправлении» ОАО «Уралкалий»

Тип: Дипломные работы
Категория: Тех. дипломные работы
Подкатегория: автоматизация

Цена:
1 грн



Подробное описание:

Содержание
Аннотация 6
ВВИДЕНИЕ 8
1 Описание технологического процесса 9
2 Разработка системы оптимального управления паровым котлом 13
2.1 Разработка математической модели процесса парообразования 13
2.2 Формулировка задачи оптимального управления 18
3 Описание схемы автоматизации 23
3.1 Обоснование точек контроля, регистрации, регулирования и сигнализации 23
3.2 Обоснование выбранной системы (систем) средств автоматизации 26
3.3 Описание локальных контуров регулирования 29
4 Обоснование контура регулирования, подлежащего расчету 34
5 Проведение эксперимента 36
5.1 Подготовка и проведение эксперимента 36
5.2 Снятие кривой разгона по основному каналу 39
5.3 Снятие кривой разгона по внутреннему каналу 43
5.4 Снятие кривой разгона по каналу возмущения 44
6 Обработка экспериментальных данных 45
6.1 Обработка кривой разгона основного канала 46
6.2 Обработка кривой разгона внутреннего канала 51
6.3 Обработка кривой разгона внешнего возмущения 53
7 Расчет схемы регулирования 59
7.1 Расчет одноконтурной системы регулирования 59
7.2 Расчет каскадной системы регулирования 60
7.3 Расчет комбинированной системы регулирования 66
8 Моделирование рассчитанной системы регулирования 69
8.1 Переходные процессы в одноконтурной системе регулирования 69
8.2 Переходные процессы во внутреннем контуре каскадной системы регулирования 72
8.3 Переходные процессы в каскадной системе регулирования 76
8.4 Переходные процессы по возмущению в комбинированной системе регулирования без компенсирующего устройства и с компенсирующим устройством 80
9 Анализ качества переходных процессов и выбор системы регулирования 83
10 Реализация рассчитанной системы регулирования 89
10.1 Описание рассчитанной системы управления 89
10.2 Программная реализация каскадно-комбинированной САР 96
10.3 Описание схемы сигнализации и блокировок 98
11 Монтаж средств автоматизации 104
12 Расчет регулирующего органа поз. 29в на подаче питательной воды в котел 112
13 Разработка системы плавного переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерацией отсеченного Na-катионитового фильтра 2 ступени умягчения воды 117
13.1 Постановка проблемы 117
13.2 Способ решения проблемы 118
13.3 Имитационное моделирование на основе сетей Петри 125
14 Надежность средств автоматики 129
15 Охрана труда и безопасность жизнедеятельности 132
15.1 Охрана труда в РФ 132
15.2 Свойства используемых и получаемых веществ 134
15.3 Классификация производства 136
15.4 Мероприятия по технике безопасности 138
15.5 Санитарно-технические мероприятия 141
15.6 Пожарная безопасность 142
15.7 Расчет предохранительного клапана на пару котла ДКВР 20-13 143
16 Экономическая часть 149
16.1 Анализ рыночных перспектив и производственных возможностей ОАО «Уралкалий» 149
16.2 Анализ действующего производства 150
16.3 Расчет производственной мощности на БКПРУ-3 ОАО «Уралкалий» 153
16.4 Экономические расчеты и обоснования по проекту 156
16.5 Расчет численности персонала и расходов на оплату труда 158
16.6 Расчет калькуляции себестоимости пара 164
16.7 Сравнительный анализ себестоимости пара 168
16.8 Анализ и оценка изменения себестоимости производства пара по технико-экономическим факторам 169
16.9 Расчет основных экономических показателей производства 172
Заключение 181
Список литературы 182


Аннотация
Темой данного дипломного проекта является автоматизация процесса парообразования в котле ДКВР-20-13 на «Третьем Березниковском калийном производственном рудоуправлении» ОАО «Уралкалий». Данный дипломный проект освещен в основных разделах.
Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой в дипломной работе темы.
В первом и втором разделах дается краткое описание оборудования и технологии ведения процесса парообразования, производится моделирование и расчет системы оптимального управления. В разделе оптимального управления разработана система оптимального управления паровым котлом. По критерию удельный расход попутного газа на 1 Дж тепла, передаваемого потребителю. Оперативно определяются оптимальные значения расхода попутного газа и воды, являющиеся заданиями в контуры их стабилизации на нижнем уровне.
В третьем и четвертом представлена информационная модель, приводится обоснование параметров, подлежащих контролю, регулированию и сигнализации, обосновываются решения по автоматизации, выбираются средства автоматизации, так же производится обоснование контура регулирования подлежащего расчету и переход к структурной схеме для расчета.
В пятом, шестом и седьмом разделах проводится снятие экспериментальных кривых разгона по основному, внутреннему и возмущающему каналам и их обработка. Производится аппроксимация кривых разгона, и определяются передаточные функции. Переходные процессы моделируются в пакете «MATLAB». Подбираются оптимальные настройки регулятора в программе «Калькулятор передаточных функций» и определяется наилучшая АСР.
В девятом разделе производится анализ качества переходных процессов, полученных в предыдущем разделе.
В десятом разделе рассмотрена реализация каскадно-комбинированной АСР на микропроцессорном контроллере SIMATIC S7-300 и описывается сигнализация для данного процесса.
В одиннадцатом разделе описывается монтаж средств автоматизации.
В двенадцатом разделе приводится расчет регулирующего органа и его выбор.
В тринадцатом разделе дипломного проекта, разрабатывается система плавного переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерацией отсеченного Na-катионитового фильтра 2 ступени умягчения воды.
В четырнадцатом разделе производится расчет надежности каскадной системы автоматического регулирования (управления) уровня в барабане котла.
В пятнадцатом разделе рассмотрены основные направления государственной политики в области охраны труда, мероприятия по ТБ и произведен расчет предохранительного клапана на пару котла ДКВР 20-13.
В шестнадцатом разделе рассчитывается экономический эффект и срок окупаемости проекта.
В заключении дается краткое описание проделанной работы и ее результаты.
ВВИДЕНИЕ
На химических предприятиях автоматизации уделяется особое внимание. Это объясняется сложностью и высокой скоростью протекания технологических процессов, чувствительностью их к нарушению режима, вредностью условий работы, взрыво- и пожароопасностью перерабатываемых веществ и т.д. В сложных технологических процессах отклонение параметра от нормы может привести к авариям, взрывам, пожарам, порчи большого количества сырья.
Автоматизация в настоящее время развивается особенно динамично, она проникает во все сферы человеческой деятельности и характеризуется широким внедрением вычислительной техники, открывающим путь к резкому повышению производительности труда.
Автоматизация приводит к повышению основных показателей эффективности производства: увеличению количества, повышению качества и снижению себестоимости выпускаемой продукции, повышению производительности труда. Внедрение автоматических устройств обеспечивает высокое качество продукции, сокращение брака и отходов, уменьшает затраты сырья и энергии, обеспечивает уменьшение численности основных рабочих, снижение капитальных затрат на строительство зданий, удлинение сроков межремонтного пробега оборудования.
Проведение некоторых современных технических процессов возможно только при условии их полной автоматизации (процессы, осуществляемые на атомных установках, в паровых котлах высокого давления и другие). При ручном управлении такими процессами малейшее замешательство человека и несвоевременное воздействие его на процесс могут привести к серьёзным последствиям.
Комплексная автоматизация процессов (аппаратов) химической технологии предполагает не только автоматическое обеспечение нормального хода этих процессов с использованием различных автоматических устройств (контроля, регулирования, сигнализации), но и автоматическое управление пуском и остановкой аппаратов для ремонтных работ и в критических ситуациях.
Автоматизация это высший этап машинного производства, когда человек частично или полностью освобождается от выполнения операций регулирования и управления.
Цель дипломного проекта – произвести автоматизацию процесса парообразования в котле ДКВР-20-13 на «Третьем Березниковском калийном производственном рудоуправлении» ОАО «Уралкалий».[1]
1 Описание технологического процесса
Современная котельная установка представляет собой сложное техническое сооружение. Она состоит из котельного агрегата ДКВР-20-13 и котельного вспомогательного оборудования. Продукцией котельного цеха является насыщенный водяной пар требуемых параметров, используемый на технологические нужды.
В состав котельного агрегата входят: паровой котёл, топка, водяной экономайзер, обмуровка, а также арматура.
Котёл типа ДКВР-20-13 представляет собой вертикально-водотрубный двухбарабанный паровой котёл с естественной циркуляцией. Котёл имеет два одинаковых по длине и диаметру барабана. Топочная камера полностью экранирована трубами. Для повышения экономичности работы котёл снабжают чугунным водяным экономайзером, который позволяет снизить температуру уходящих газов.
К вспомогательному котельному оборудованию относятся тягодутьевые и питательные устройства, оборудование водоподготовки, топливоподачи, системы шлакозолоудаления и золоулавливания, а также контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации.
В качестве основного топлива на производстве используется попутный нефтяной газ, в качестве резервного топлива мазут.
Ниже на рисунке 1.1 приведена структура производства пара.

Рисунок 1.1 – Структура производства пара
Насыщенный водяной пар используется на технологические нужды других основных цехов, горячая хозяйственно-питьевая вода поступает в систему хозяйственно-питьевого водоснабжения и используется на хозяйственно-бытовые нужды. Характеристики основного сырья и энергоресурсов приведены ниже в таблице 1.1.
Таблица 1.1
Характеристики основного сырья и энергоресурсов

№ п/п Наименование Показатель Норма
1 2 3 4
1 Исходная вода Общая жесткость, мг•экв/дм3
Щелочность общая, мг•экв/дм3
Хлориды, мг•экв/дм3 22,0
1,5-2,6
Не нормируются
2 Кварцевый песок Размер зерен, мм 0,5-1,5
3 Катионит марки КУ2-8 ГОСТ 20298-74 Размер зерен, мм 0,3-1,25
4 Топливо нефтяное мазут ГОСТ 10585-99, Марка 100 Вязкость кинематическая, сСт при 80 °С, не более
Температура вспышки в открытом тигле, °С, не более
Массовая доля механических примесей, %, не более
Массовая доля воды, %, не более
Теплота сгорания (низшая) в пересчете на сухое топливо кДж/кг, не менее
118

110

1,0
1,0
39900
5 Попутный нефтяной газ Теплота сгорания низшая, МДж/м3 (ккал/м3) при 20°С и 101,325 кПа, не менее
Область значений числа Воббе (низшего) МДж/м3 (ккал/м3)
Объемная доля кислорода, %, не более
Масса механических примесей в 1 м3, не более
Давление, МПа

31,8 (7600)
41,2-54,5
(9850-13000)
1,0

0,001
0,5-0,6

Продукцией паровой котельной является насыщенный водяной пар и горячая хозяйственно-питьевая вода, характеристики которой приведены в таблице 1.2.
Таблица 1.2
Характеристики продукции
№ п/п Наименование Показатель Норма
1 Насыщенный водяной пар Общая жесткость,
Мкг•экв/дм3, не более
Температура, °С, не более
Давление, МПа, не более
15
160
0,7
2 Горячая хозяйственно-питьевая вода Температура, °С, не более
Давление, МПа, не более 70
0,6

Процесс получения пара протекает в следующем по¬рядке. Центробежными насосами питательная вода непрерывно подается в барабан котла. Ее давление составляет 14 кгс/см2, это выше чем давления вырабатываемого пара. Прежде чем по¬пасть в барабан котла, питательная вода с расходом 15-25 т/ч в зависимости от нагрузки проходит через экономайзер позиция 3, подогреваясь до температуры примерно на 40 °С ниже, чем температура насыщенного пара в котле примерно 190 °С. Барабан котла позиция 6 служит распре¬делителем котловой воды и сборником образующего пара. С помощью опускных труб вода из бара¬бана поступает в нижние коллекторы (сборники или рас¬пределители), к которым присоединяются трубы экранов, вертикально установленные по внутренним стенкам топоч¬ной камеры. Другим концом экранные трубы присоеди¬няются к барабану котла. Как говорилось, экранные трубы представляют поверхность нагрева котла и предназначены для получения пара, кроме того, они защищают стенки топочной камеры от температуры. В результате радиацион¬ного (лучевого) нагрева экранных труб находящаяся в них вода закипает, образовавшиеся пузырьки пара стремятся вверх, увлекая за собой еще не вскипевшую воду. По на¬правлению к барабану котла в трубах экрана образуется поток пароводяной смеси. Так как гидростатическое давле¬ние пароводяной смеси (эмульсии) в экранных трубах меньше, чем вес столба воды в опускных трубах, то в замкнутой гидравлической системе (барабан котла — опускные трубы — нижние коллекторы — экранные тру¬бы — барабан котла) образуется устойчивое движение (естественная циркуляция).
Продукты сгорания сначала охлаждаются в топочной камере котла ДКВР 20-13 позиция 5, отдавая тепло радиационным способом экранным трубам, затем охлаждаются за счет конвекции, проходя через экономайзер позиции 3. Дымовые газы (продук¬ты сгорания) из топки с температурой 360°С и разряжением -0,94 кПа, отсасываются дымососом позиция 4, проходят через водяной экономайзер позиции 3, на выходе температура устанавливается 200 °С выбра¬сываются через дымовую трубу в атмосферу. Для обеспе¬чения нормального режима горения топлива в топку вен¬тилятором позиция 1 подается воздух.
Таким образом в топку котла подаются топливо с температурой +5 °С, с расходом 1500 нм3/ч, давлением газа до заслонки 3,8 кПа, давление газа после заслонки 3,7 кПа и давление воздуха 1,9 кПа. В барабан котла подается питательная вода, а отбирается водяной насыщенный пар, расход которого составляет 10-20 т/ч. Регу¬лирование процессов горения и питания паровых котлов сводится к управлению подачей топлива, воздуха, тяги и воды. Способ регулирования процесса горения определяет¬ся в первую очередь способом сжигания топлива и конст¬рукцией топочного устройства.
Подача воды в барабан котла регулируется таким образом, чтобы уровень воды в барабане, оставался на уровне 0 мм., то есть уровень воды держался середины барабана. Таким образом, парообразование получается максимальным, что повышает производительность котла.[4,5]
2 Разработка системы оптимального управления паровым котлом
В данном разделе составляется математическое описание процесса процесса парообразования в котле ДКВР-20-13 с реализацией в пакете Mathcad 2000. Производится расчет системы оптимального управления процессом парообразования.
2.1 Разработка математической модели процесса парообразования
В большей мере на весь процесс парообразования будет влиять Т ˚С пламени, подаваемого на экран, состоящий из блока труб. Регулируя расход газа изменяем давление пара в барабане котла за счет изменения соотношение расхода газ-воздух из за чего происходит изменение температуры пламени, следствием чего является изменение температуры воды в котле и температура пара, а так же давление пара. Давление пара может изменяться ещё из-за потребительских нужд. Температура окружающей среды не может быть принята в качестве возмущения, так как сам котлоагрегат находится в помещении (температура колеблется +15 ˚С ÷ 35 ˚С).
В качестве исходных данных при построении математической модели приняты лишь формулы без численных значений, т.к. недостаточно информации по конструкции аппарата и пр.
Задачей оптимального управления является получение на выходе из котла перегретого пара необходимого качества при минимальном расходе топлива. Наиболее важным показателем процесса получения пара является энтальпия пара на выходе из котлоагрегата:

Рассмотрим информационную модель объекта:

Рисунок 2.1 - Информационная модель объекта
Входные управляющие и возмущающие воздействия влияют как на выходной параметр – , так и друг на друга. Чтобы определить эти связи, а так же конкретные технологические параметры, оказывающие влияния на выходную величину , необходимо составить математическую модель парогенератора. Для составления модели запишем уравнения процессов, протекающих в паровом котле, и сведем полученные данные в блок схему.
Данный технологический процесс в котле будет представлен в виде упрощенной модели, так как она будет полностью отражать протекания процесса. Как уже было сказано выше, к количественному параметру относится нагрузка котла, которая может меняться в широких пределах в зависимости от графика нагрузок потребителей. Мы пришли к выводу что к качественным параметрам относятся уровень в барабане L, давление пара Р и температура перегретого пара Т. В барабане котла происходит предварительный нагрев жидкости до температуры Т2, тепловым потоком Ф1. Надо заметить, что коллекторы экранов котла представляют вторую емкость нагрева, которая нагревается тепловым потоком Ф2 и кипит при температуре Т3 и давлении пара Р. К известным нам граничным условиям можно добавить:
 объем в барабане V1,
 объем экранных труб V2,
 температуру входящих потоков Твх .
В условной первой емкости уровень воды в барабане, постоянный, а значит V1=const.
Упрощенный материальный баланс первой емкости можно представить в виде:
, где
FВ – расход воды;
F2 – расход пара из котла.
Уравнение теплового баланса имеет следующий вид:
[скорость накопления тепла в емкости]=[приход тепла]+[приход тепла с тепловым потоком]-[отвод тепла].
, где
с-теплоемкость жидкости;
р –плотность жидкости.
Из уравнения теплового баланса можно определить температуру Т2.
Уравнение материального баланса жидкой фазы для условной второй емкости:
, где
mп – поток пара.
Из этого уравнения можно определить V2.
Материальный баланс паровой фазы :
, где
m1 – поток пара проходящий через выходной вентиль.
Из уравнения материального баланса паровой фазы определим массу М.
Поскольку предполагается, что жидкостью и паром все время существует равновесие, при построении модели не нужно уравнение теплового баланса пара. Температуру пара принимаем равной температуре жидкости в барабане.
Тепловой баланс жидкой фазы :
[изменение теплосодержание]=[входящее тепло]+[поток тепла]-[теплосодержание паровой фазы].
, где
коэффициента трения – λ – трение пара о стенки трубопровода на выходе из барабана
Из данного уравнения можно определить поток пара .
Давление в паровом пространстве можно найти из закона газового состояния:

Объем занимаемым паром VГ находим
, где
V0 – полный объем емкости.
Температуру кипящей жидкости найдем из соотношения выражающего связь между давлением и температурой кипения:

Поток пара, проходящий через вентиль, определяется из выражения:

Тепловые потоки Ф1 и Ф2 определяются:

где - коэффициент теплоотдачи через стенку, - площадь нагрева.
Для отчетливого представления связей между составленными уравнениями математической модели составлена блок-схема, показанная на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 - Блок – схема уравнений математической модели котла

Программная реализация выполнена в пакете Mathcad 2000



Рисунок 2.3 - Моделирование процесса парообразования в котле
В результате реализации математической модели при помощи пакета Mathcad 2000 мы получили зависимости изображенные на рис. 2.3. На данных графиках мы наблюдаем при увеличение объема воды в барабане котла (график 1) происходит плавное уменьшение температуры воды (график 2) до температуры подаваемой в котел и уменьшение давления пара (график 3). [10,9]
2.2 Формулировка задачи оптимального управления
Критерий оптимальности - это выходная величина, значение которой является количественной оценкой процесса при выборе оптимальных параметров его состояния.
Основной задачей оптимального управления является поиск параметров процесса, при которых будет наименьшей удельный расход попутного газа на 1 Дж тепла, передаваемого потребителю, что приводит к снижению себестоимости продукта.
Наложение ограничений
Важная особенность задач оптимизации – наличие ограничений.
Ограничение по количеству:
Выпуск пара не должен быть ниже значения, запрашиваемого потребителем, в данном случае обогатительной фабрикой. Поскольку снижение количества выпущенного пара повлечет за собой снижение мощностей основного производства, где пар используется как основной теплоноситель и применяется для поддержания определенной температуры. Выпуск пара в большем количестве, также не желателен, поскольку излишки не будут участвовать в производственном процессе и предприятие понесет убытки.
Ограничения по технологическим условиям:
Эти ограничения связаны с условиями производства. Для данного процесса можно наложить ограничения по расходу газа в топку, по расходу воды в барабан и давлению пара на выходе из котла.
Расход газа нельзя увеличить до величины превышающей мощность работы вентилятора, так как без поддержания оптимального соотношения «газ-воздух» процесс нормального горения нарушается, либо вообще прекращается. То же происходит и при уменьшении расхода газа ниже допустимых пределов.
Расход воды нельзя увеличивать настолько, чтобы был нарушен материальный баланс котла. При нарушении этого изменяется такой показатель как уровень воды в барабане котла. Рост уровня влечет за собой снижение скорости парообразования, а следовательно и снижение КПД парогенератора. Сильное изменение уровня может также повлечь за собой выход из строя определенных частей котла.
Давление пара не должно превышать давления, предусмотренного заводом-изготовителем парового котла и не должно быть ниже значения, определяемого потребителем.

 

Таким образом, решение задачи оптимального управления заключается в нахождении экстремума функции четырех переменных. Задачи нахождения экстремума функции нескольких переменных решаются с помощью вычислительной техники.
В результате решения задачи оптимального управления мы получили следующие зависимости.
На первом этапе получаем зависимость изменения расхода пара с котла при изменение расхода топлива. Полученные данные сведем в таблицу 2.1.
Таблица 2.1
Зависимость изменения расхода пара с котла при изменение расхода топлива
№ F газа м3/с F пара кг/с
1 0,3 4,7
2 0,31 5
3 0,32 5,2
4 0,33 5,41
5 0,34 5,5
6 0,35 5,51
7 0,36 5,55
8 0,37 5,6
9 0,38 5,63

По данным таблицы 2.1 строим графики изменения параметров процесса при изменении расхода топлива.


Рисунок 2.4 – Зависимость расхода пара от расхода газа
При увеличении расхода газа, паропроизводительность котла увеличивается, так как энергия тепла передается экранным трубам, в которых происходит усиленное вскипание воды, что приводит к увеличению выделения молекул пара. Соответственно при снижении расхода газа, уменьшается производительность пара.
На втором этапе получаем зависимость изменения расхода пара с котла при изменение расхода воды. Полученные данные сведем в таблицу 2.2.
Таблица 2.2
Зависимость изменения расхода пара с котла при изменение расхода воды
№ F воды кг/с F пара кг/с
1 7,7 5,65
2 7,8 5,625
3 7,9 5,6
4 8 5,57
5 8,1 5,5
6 8,2 5,47
7 8,3 5,4
8 8,4 5,3
9 8,5 5,2
10 8,6 5
11 8,7 4,7

По данным таблицы 2.2 строим графики изменения параметров процесса при изменении расхода воды.

Рисунок 2.5 – Изменение расхода пара при изменении расхода воды
Если расход газа оставить неизменным, но при этом увеличивать расход воды, то расход пара будет снижаться, рис.2.5, ввиду нехватки тепловой энергии для производства пара того же объема. Это связано с тем, что объем воды в барабане котла увеличивается, и для его нагрева необходимо больше тепловой энергии. Это видно из третей ситуации, где мы получаем зависимость изменения расхода пара с котла при изменение уровня в барабане котла. Полученные данные сведем в таблицу 2.3.
Таблица 2.3
Зависимость изменения расхода пара с котла при изменение уровня в барабане котла
№ F воды кг/с F пара кг/с
1 -20 5,65
2 -15 5,6
3 -10 5,57
4 0 5,5
5 5 5,47
6 10 5,4
7 15 5,3
8 17,5 5,1
9 20 4,7

По данным таблицы 2.3 строим графики изменения расхода пара с котла при изменение уровня в барабане котла.

Рисунок 2.6 – Изменение расхода пара при изменении уровня воды
Из графиков видно, что для увеличения расхода пара необходимо подводить больше тепловой энергии, значит увеличивать подачу энергоресурсов в виде попутного газа. При номинальной паропроизводительости котла 5,5 кг/с необходимо затрачивать 0,34 м3/с газа и 8,1 кг/с воды. При этом уровень воды в барабане котла будет средним, что соответствует его рабочему состоянию.
Вывод:
В разделе решена задача оптимизации процесса производства пара. Произведено математическое описание процесса и выбран критерий оптимальности, характеризующий эффективность проведения процесса при минимальных затратах.
Нахождение значений, при которых энтальпия пара будет максимальная, удельный расход газа на единицу пара будет минимальным, и минимальными будут приведённые затраты на попутный газ, питательную воду, позволит вести процесс в оптимальном температурном режиме, для оптимального теплосодержании перегретого пара на выходе из котлоагрегата при различных нагрузках. Это позволит улучшить процесс горения, уменьшая выброс вредных газов от отработанного топлива в атмосферу. Так же это позволит снизить расходные нормы газа на производство оптимального количества пара, что приведёт к уменьшению себестоимости пара.
На основании выше проведенных исследований, можно сделать вывод, что внедрение качественной автоматической системы оптимального управления процессом позволит получить реальный экономический эффект. [8,10]
3 Описание схемы автоматизации
3.1 Обоснование точек контроля, регистрации, регулирования и сигнализации
Котельные агрегаты типа ДКВР предназначены для получения пара для производственных целей, отопле¬ния и горячего водоснабжения. Получение пара из воды происходит при следующих физических процессах:
а) подогрева воды до температуры кипения;
б) кипение воды, когда жидкая фаза переходит в насыщенный пар.
Необходимое для этого тепло выделяется при сгорании топлива в топочной камере. Передача тепла от продуктов сгорания к поверхностям нагрева происходит в результате всех видов теплообмена: радиационного, конвективного и теплопроводности.
Параметры контроля, автоматического регулирования, сигнализации и блокировок выбираются согласно СНиП II-35-76 “Котельные установки”, раздел 15 «Автоматизация».
Точки контроля:
1а, 2а, 2б – температура газа, расход газа, поступающий в котел, необходимо контролировать, для учета расхода газа и анализа работы парогенератора.
3а, 5а – давление газа перед заслонкой, давление газа после заслонки, контролируем для того чтобы судить о наличии давления газа в трубопроводе, а так же участвует в программе опрессовки газопровода перед запуском котла.
4а – давление пара в барабане котла, необходимо контролировать с целью избегания превышения выше нормы.
9а – температура мазута, необходимо контролировать, поскольку мазут становится не транспортабельным по трубопроводам подачи мазута к котлу, при температуре ниже 90 градусов Цельсия.
10а – расход мазута на котел, необходимо знать и анализировать, сколько энергоносителя расходуется при производстве определенного количества пара.
11а, 12а – температура подшипников вентилятора, необходимо контролировать с целью не допущения их перегрева и выхода из строя вентилятора.
13а – давление воздуха перед горелками, контроль необходим для поддержания оптимального горения пламени, без отрывов.
14а – разряжение в топке котла, необходимо для поддержания оптимальной тяги дымососа.
16а – температура уходящих газов до экономайзера, необходимо контролировать с целью не перегреть экономайзер горячими топочными газами.
17а – разряжение дымовых газов до экономайзера, контролируется с целью оптимальной тяги дымовых газов.
18а – разряжение дымовых газов после экономайзера, контролируется с целью потери разряжения, которое расходуется на перегородки экономайзера в виде труб, и обогрев питательной воды.
19а – температура дымовых газов перед дымососом, контролируется перед дымососом.
20а, 21а – температура подшипников дымососа, необходимо контролировать с целью не допущения их перегрева и выхода из строя дымососа.
22а – температура дымовых газов после дымососа, контролируется с целью не допущения парникового эффекта.
23а – давление воды перед экономайзером, контролируется для обеспечения целостности трубопроводов подачи воды.
24а – температура воды перед экономайзером, целью контроля является подача воды оптимальной температуры, чтобы она не перегрелась и не догрелась в экономайзере.
25а – температура воды после экономайзера, контроль ведется с целью непосредственно какой температуры подается вода в барабан и как она нагрелась в экономайзере.
26а – расход пара от котла, необходимо контролировать с целью паропроизводительности котлоагрегата и материального баланса «приход воды – расход пара»
27а – давление пара на выходе их котла, цель контроля – недопущение порыва паропровода при повышении давления.
28а – температура пара на выходе, контролируется с целью выпуска пара заданной температуры.
29а, 31а – уровень воды в барабане котла, один из важнейших параметров, от которого зависит паропроизводительность котла. Для более точного контроля используется 2 датчика.
30а – расход воды в барабан котла, необходимо контролировать для того чтобы соотносить расход воды в котел и выход пара с котла.
Точки сигнализации:
7а – давление газа после заслонки, сигнализирует о превышении или понижении давлении газа, с целью предотвращения погасания факела горелки.
8а – давление мазута на котел, сигнализация верхнего предела давления с целью сохранения оборудования и предотвращение розлива мазута.
11а, 12а – сигнализация температуры подшипников вентилятора, с целью предотвращения перегрева и разрушения подшипников и вала дымососа.
15а – разряжение в топке котла, уменьшение разряжение в котле сильно влияет на горение факела и может вызвать его полное погасание и останов котла.
20а, 21а - сигнализация температуры подшипников дымососа, с целью предотвращения перегрева и разрушения подшипников и вала дымососа.
40а – давление воздуха на горение, понижение вызывает погасание факела, повышение вызывает отрыв пламени и наполнение топки газом, что впоследствии может вызвать взрыв.
Точки регулирования:
4в, 4д – регулирование давления газа или мазута соответственно, с целью поддержания заданного давления пара в барабане котла.
5в – регулирование давления воздуха, с целью поддержания оптимального горения газа в топке.
14в – регулирование разряжения в топке, избыточное давление в топке приводит к выбиванию газов и пламени из топки в помещение котельной. С уве¬личением же разрежения в топке резко возрастают присосы воздуха, снижающие экономичность работы котла за счет потерь с уходящими газами и увеличение расхода электроэнергии на тягу.
29в – регулирование уровня воды в барабане котла, с целью повышения паропроизводительности котла.
Блокировка оборудования.
Для паровых котлов, предназначенных для сжигания газообразного или жидкого топлива, независимо от давления пара и производительности следует предусматривать устройства, автоматически прекращающие подачу топлива к горелкам при:
а) повышении или понижении давления газообразного топлива перед горелками;
б) понижении давления жидкого топлива перед горелками, кроме котлов, оборудованных ротационными горелками;
в) уменьшении разрежения в топке;
г) понижение давления воздуха перед горелками для котлов, оборудованных горелками с принудительной подачей воздуха;
д) погасании факелов горелок, отключение которых при работе котла не допускается;
е) повышении или понижении уровня воды в барабане;
ж) неисправности цепей защиты, включая исчезновение напряжения.
Далее заносим все вышеперечисленные параметры сводную таблицу 3.1:
Где: - I – индикация;
R – регистрация;
С –автоматическое регулирование;
A – сигнализация.
Таблица 3.1
Поз. Технологический параметр I R C A
1а Температура газа на котел + +
2а, 2б Расход газа на котел + + +
3а, 5а Давление газа перед заслонкой, давление газа после заслонки + + + +
4а Давление пара в барабане котла + + +
9а Температура мазута + +
10а Расход мазута на котел + +
11а, 12а Температура подшипников вентилятора + + +
13а, 40а, 5в Давление воздуха перед горелками + + + +
14а, 15а, 14в Разряжение в топке котла + + + +
16а Температура уходящих газов до экономайзера + +
17а Разряжение дымовых газов до экономайзера + +
18а Разряжение дымовых газов после экономайзера + +
19а Температура дымовых газов перед дымососом + +
20а, 21а Температура подшипников дымососа + + +
22а Температура дымовых газов после дымососа + +
23а Давление воды перед экономайзером + +
24а, 25а Температура воды перед и после экономайзера + +
26а Расход пара от котла + + +
27а Давление пара на выходе их котла + +
28а Температура пара на выходе + +
29а, 31а Уровень воды в барабане котла + + + +
30а Расход воды в барабан котла + + + +

3.2 Обоснование выбранной системы (систем) средств автоматизации
Выбор датчиков измерения технологических параметров определяется физической природой параметра, диапазоном измерения, требуемой точности измерения (классом точности), параметрами окружающей среды, требуемыми выходными сигналами (унифицированный/неунифицированный, аналоговый/цифровой), стоимостью и т.п. При этом анализируются технические характеристики и возможности всего ряда датчиков, пригодных для измерения той или иной величины.
Основными контролируемыми параметрами в процессе производства пара является температура. Для измерения температуры применяются платиновые термометры, так как обладают более высокой точностью, широким диапазоном измерения. Для передачи информации необходима дополнительные преобразователи и дополнительная электрическая энергия. Такие приборы относятся к электрической ветви ГСП. Электрические приборы обладают высокой чувствительностью, точностью регулирования, обеспечивают дальность связи и большую емкость каналов передачи информации. Поэтому в дальнейшем будем строить систему автоматизации в русле электрической ветви ГСП.
Первичным преобразователем температуры измеряемых сред на позициях 1а, 9а, 11а, 12а, 16а, 19а, 20а, 21а, 22а,24а, 25а, 28а является термопреобразователь платиновый ТПТ-1-3 100П. Обладает высокой точностью измерения, широким диапазоном измеряемых температур. Применяется без встроенного преобразователя сопротивления типа «таблекта», так как цех является «горячим» и преобразователь не выдерживает зачастую такой тепловой нагрузки и выходит из строя.
В качестве преобразователя сопротивления и термоЭДС на позициях 1б, 9б, 11б, 12б, 16б, 19б, 20б, 21б, 22б,24б, 25б, 28б применяется измерительный преобразователь модульный ИПМ 0399/М0 фирмы «Элемер». Отличается не большими размера, устанавливается на DIN-рейку, большой выбор первичных преобразователей температуры, напряжения, тока. Перенастраивается с помощью ПК на любой диапазон входных температур. На выходе имеет сигнал по току и напряжению. Может быть использован на любую из выше перечисленных позиций, имеет хорошую унификацию и взаимозаменяемость.
2б – преобразователь перепада давления Rosemount 3051 CD фирмы “Emerson”. Применяется на позиции измерения расхода газа. Отличается высокой точностью измерения, простотой монтажа и эксплуатации. В наличии имеется HART-протокол, который позволяет дистанционно обслуживать датчик, перенастраивать диапазон входного перепада, выходной сигнал. Отличительной особенностью является работа в 5% диапазоне от диапазона ячейки без потери точности измерения. То есть, если ячейка имеет диапазон 6,2 кПа и точность 0,1%, мы перенастраиваем на нужный нам входной диапазон 0,31 кПа, точность так же останется на уровне 0,1%.
Для измерения давления газа до и после заслонки поз. 3а и 5а применяется датчик давления Vegabar 52 немецкой фирмы “Vega”. Отличительной особенность данных датчиков является их относительно не высокая стоимость, качество применяемых материалов, отличные эксплуатационные характеристики и достаточно высокий класс точности на выбор пользователя 0,075; 0,1; 0,2. При эксплуатации датчиков в слабоосвещаемых помещениях, имеется подсветка дисплея, которая включается или отключается по желанию. Так же имеется HART-протокол, для настройки датчиков дистанционно.
Для измерения давления пара в барабане котла поз.4а, давления мазута поз. 5б, давления воды поз. 22а, давление пара от котла поз. 26а применяется датчик давления Vegabar 17. Датчик имеет не большие размеры, широкий диапазон измерения давления до 600 bar. В исполнении с мембраной заподлицо прибор может применятся без разделительных сосудов.
Для измерения расхода мазута поз. 9а, применяется массовый расходомер Optimass 7300 фирмы “Krohne”. Расходомер является прямотрубным, что уменьшает его габариты. В комплекте поставки имеет подробную инструкцию по монтажу и эксплуатации на русском языке. Имеет 2 аналоговых выхода, импульсный выход, протокол HART. Для удобства настройки и эксплуатации прибор имеет подсветку дисплея.
При измерении разряжения дымовых газов до и после экономайзера поз.16а и 17а соответственно, давление воздуха перед горелками поз.12а, используются датчики Vegabar 52.
Измерение расхода воды на котел поз.29а и расхода пара от котла 25а,б производится вихревыми расходомерами Rosemount 8800D. Данный тип расходомеров имеет высокие эксплуатационные характеристики. Высокую точность 0,5%, надежность. Возможна замена вышедшего из строя чувствительного элемента – сенсора, без снятия корпуса расходомера и остановки измеряемой среды. В виду того что трубопровод пара очень горячий, порядка 180°C, а электроника часто не выдерживает таких тепловых нагрузок, расходомер имеет разнесенную конструкцию, то есть чувствительный элемент на трубопроводе, преобразователь устанавливается рядом, в более прохладном месте, между собой они соединяются специальным коаксиальным кабелем из комплекта поставки.
Для измерения разряжения в топке котла поз.13а применятся датчик перепада давления Rosemount 3051CD. Имеет хорошие характеристики на маленькие разряжения и напоры. Точность составляет 0,2%.
В качестве приборов для сигнализации параметров таких как давление газа после заслонки поз.6а, разряжение в топке котла 14а, давление воздуха перед горелками поз.35а, используются приборы контроля цифровые ПКЦ-1105. Эти приборы устанавливаются на щите розжига возле котла. Приборы имеют цифровую индикацию, 2 релейных выхода, токовый выход. Приборы перепрограммируются на любой диапазон, внутри основного. В сравнении со шкальными приборами НМП52 и ТнМП 52, имеют достаточно высокий класс точности 0,5.
Для контроля наличия пламени поз. 32а,б 33а,б 34а,б используются датчики контроля пламени ДМС-100. Оптический датчик-реле контроля пламени ДМС-100 предназначен для селективного контроля и индикации отсутствия или наличия пламени в жидкотопливных горелочных устройствах; обеспечивает выдачу сигнала для систем автоматики. Вторичный преобразователь ДМС-100 устанавливается на щите розжига.
3.3 Описание локальных контуров регулирования
Рассматриваемая система автоматизации, одной из основной задачи которой является ведение оптимального технологического процесса и получение конечного продукта с заданными параметрами и характеристиками. Конечным продуктом является насыщенный водяной пар. Для решения задач по автоматизации по выпуску пара применяются технические средства, которые четко контролируют процесс производства продукта и оптимально регулируют его. Для этого используются несколько контуров регулирования:
- регулирование разрежения;
- регулирование соотношения «топливо-воздух»;
- регулирование уровня в барабане;
- регулирование давления в барабане.
Регулятор разряжения в топке котла.
Назначение — полное удаление продуктов сгорания не¬зависимо от величины нагрузки котла. Этого можно до¬стичь при соответствии производительности дымососа в каждый момент производительности вентилятора и коли¬честву топлива. Показателем такого соответствия является разрежение в топочной камере котла.
Избыточное давление в топке приводит к выбиванию газов и пламени из топки в помещение котельной. С уве¬личением же разрежения в топке резко возрастают присосы воздуха, снижающие экономичность работы котла за счет потерь с уходящими газами и увеличение расхода электроэнергии на тягу.
На регулятор разрежения возлагается задача поддержа¬ния постоянного разрежения — 30 Па (—3 мм вод. ст). с высокой точностью ±5 Па (±0,5 мм вод. ст.). Конкрет¬ная величина разрежения зависит от конструкции топки и места отбора импульса. Дело в том, что в различных по высоте зонах топки разрежение неодинаково. Согласно за¬водской инструкции на котлы ДКВР место отбора разре¬жения в топке должно быть на боковой стенке топки, располагающейся дальше от выходного окна, и находится на расстоянии 1/3 ширины стенки от задней стены топки и 1/3 высоты боковой стены от потолка топки.
Основное требование к регулятору — максимально воз¬можное быстродействие, так как топка как объект регу¬лирования разрежения практически безынерционна.
При увеличении количества воздуха, подаваемого в топ¬ку, разрежение в топке уменьшится, одновременно сни¬жается поступление воздуха через неплотности обмуровки. Это говорит о значительном самовыравнивании топки как объекта регулирования разрежения.
Из сказанного следует, что регулятор не должен иметь остаточной неравномерности и может быть простым по закону регулирования. Сигнал разрежения подается из топки на преобразователь разряжения, где преобразуется в электросигнал и поступает на вход усилителя, где сравнивается с электросигналом задат¬чика Зд. Если действительная величина разрежения X рав¬на заданной Х0, то отклонение, рассогласование ΔХ=0 и система регулирования находятся в установившемся режи¬ме. При наличии рассогласования ΔХ больше величины чувствительности усилителя, он подает команду на исполнительный механизм, который перемещает направляющий аппарат дымососа в определенном направ-лении, стремясь свести рассогласование к нулю.
Регулятор соотношения «топливо-воздух».
Назначение—поддерживать заданное соотношение между количеством топлива и воздуха во всем диапазоне изменения подачи топлива, которое определяется по гра¬фику. Необходимые данные получают при теплотехниче¬ской наладке котла и выдаются службе КИПиА за подписью начальника котельной.
Для полного сжигания топлива используются несколь¬ко технологических зависимостей между топливом и воз¬духом. Исходя из этого, строятся и схемы автоматического регулирования: «расход (давление) топлива — расход (давление)- воздуха» (сокращенно «топливо — воздух»); «расход пара — расход (давление) воздуха»; «положе-ние РО топлива — расход (давление) воздуха» и «коли¬чество кислорода в уходящих газах — количество воз¬духа».
Оптимальное количество воздуха будет выдерживаться, когда измеряется не только расход топлива, но и его ка¬чественные показатели: состав, температура, влажность и т. д. Наиболее точно это учитывается САР подачи воз¬духа, удерживающей избыток (1,0%-1,5%) кислорода О2 в уходящих газах. Однако из-за сложности измерения кислорода наиболее часто применяется схема регулирова¬ния соотношения «топливо — воздух».
Для системы регулирования способ измерения количе¬ства топлива не имеет большого значения. Но от этого значительно зависит качество сжигания топлива. Причин, влияющих на нормальную работу регулятора соотношения «топливо — воздух» (в дальнейшем — регулятор воздуха), при измерении давления топлива, а не расхода, несколько.
Во-первых, выходное сопло распылителя мазута газо¬мазутных горелок типа ГМГ, которыми оборудуются кот¬лы ДКВР, рассчитано до 2000 часов работы при нормальной фильтрации топлива и режиме работы сопла. Если эти требования не выдерживаются, то сопло увеличивается и при том же давлении через него проходит больше мазу¬та. В этом случае воздуха нужно больше, но так как САР контролирует только давление, то количество воздуха не изменится, что приведет к неполному сгоранию топлива.
Во-вторых, сопла форсунок и газовые отверстия заби¬ваются, что ведет к росту давления на них. Но одновре¬менно уменьшается количество топлива, а регулятор бу¬дет держать воздуха больше необходимого, согласно дав¬лению, что приведет к охлаждению топки и снижению паропроизводительности котла, т. е. к.п.д. котла.
В-третьих, у котлов ДКВР-20 устанавливаются по 3 горелки, и контролировать давление топлива для регулятора воздуха можно только на коллек¬торе (на общем трубопроводе топлива) после РО. При полностью открытых ручных вентилях давление топлива на коллекторе и на горелках будет одинаковое. Если один из вентилей будет открыт не полностью, то давление то¬плива за ним будет меньше, а значит, и расход топлива меньше, и воздуха надо меньше, но при этом давление на коллекторе будет больше, и тогда регулятор воздуха будет не уменьшать подачу воздуха, что необходимо, а увеличивать.
Контролировать правильность работы регулятора воз¬духа можно (при замере давления топлива) по графику оптимального соотношения «топливо — воздух», но качест¬во сжигания топлива при таком косвенном замере расхода топлива не гарантируется, да и проконтролировать его без газоанализаторов дымовых газов, которые не предусмот¬рены проектами, сложно.
Следовательно, более качественное сжигание топлива гарантировано при измерении его расхода. Причем не только при изменении расхода с помощью РО системы регулирования, но и ручными вентилями, а также при изменении состояния любого элемента тракта подачи топлива.
Количество воздуха, подаваемого в топку, обычно из¬меряется по давлению воздуха в воздуховоде перед кот¬лом. У котлов ДКВР-20 горелок три, и из общего воздуховода имеются ответвления к каж¬дой горелке с ручными заслонками для перераспределе¬ния количества воздуха. К котлам ДКВР нужно знать точное и постоянное положение ручных заслонок, иначе всякое их отклонение от заданного положения изменит соответствие между давлением воздуха и его количеством. Например, если прикрыть ручные заслонки на горелках, то давление воздуха в общем воздухопроводе возрастет, что свидетельствует об увеличении количества воздуха от пер¬воначального положения ручных заслонок и регулятор будет прикрывать направляющий аппарат вентилятора, хо¬тя на горелки идет меньше воздуха и нужно наоборот увеличивать подачу воздуха.
Работу регулятора рассмотрим на примере «газ — воз¬дух». График этого соотношения выданный пос¬ле окончания режимной наладки котла, предусматривает одно соотношение между количеством газа и воздуха, по¬этому задатчик должен быть выключен. Датчик расхода газа преобразует измеряемый перепад давления на диа¬фрагме в электрический сигнал и посылает на усилитель, где он сравнивается с электросигналом датчика давления (расхода) воздуха. При этом сигналы датчиков должны быть равны, но противоположны по фазе—тогда на вхо¬де усилителя суммарный сигнал равен нулю и САР нахо¬дится в покое. Всякое изменение расхода газа вызовет изменение электросигнала датчика расхода, и регулятор должен восстановить вновь соотношение сигналов датчи¬ков, то есть соотношение «газ — воздух».
Из рассмотренного видно, что расход газа является задающим параметром для регулятора воздуха, изменяю¬щего подачу воздуха вслед за изменением расхода газа. Значит, регулятор воздуха является сле¬дящим.
Регулятор уровня воды в барабане котла.
Назначение — поддерживать уровень воды в барабане постоянным с точностью ±5 мм при изменении расхода пара с котла от 10 до 120%.
Уровень воды в барабане является одним из основных регулируемых параметров паровых котлов. В равновесном состоянии участок питания котла характеризуется равен-ством между количеством поступающей воды и расходом пара с котла. Если это условие выдерживается, то уровень воды будет неизменным. Отклонение уровня происходит по следующим причинам: изменение подачи воды, расхода пара, теплонапряжения топки и давления пара в барабане. Отклонения уровня от среднего положения при его регу-лировании не должны превышать ±20—30 мм, так как в случае отказа регулятора достаточно 3—4 мин до упуска воды из барабана или его перепитки. Упуск воды приво¬дит к разрыву экранных труб и выходу котла из строя. Перепитка барабана котла приводит к повышению давле¬ния пара, к забросу воды в паропровод, гидравлическим ударам и возможным разрывам паропроводов.
Датчик уровня, дифманометр с перепадом 6,3 кПа (630 мм вод. ст.), подключается через уравнительный сосуд к барабану котла.
Регулятор работает следующим образом. Датчик из¬меряет уровень воды в барабане котла, преобразует его в электрический сигнал и посылает на усилитель, где он сравнивается с сигналом задатчика. При равенстве сигналов система регулирования находится в установив¬шемся состоянии. При появлении сигнала рассогласования ΔХ=Х-Х0 — регулятор, воздействуя на количество питатель¬ной воды, протекающей через регулирующий оргон, по ПИ-закону, восста¬навливает равновесие системы.
Регулятор давления пара в барабане котла.
Назначение — удерживать постоянной заданную вели¬чину давления пара в пределах точности регулирования путем изменения подачи топлива при колебаниях расхода пара с котла от 20 до 120% его мощности.
Нижний предел (20%) определяется началом диапазо¬на регулирования горелок ГМГм и ГМГ-П, которыми оборудуются котлы ДКВР. Верхний предел (120%) определяется тем, что кратковременно разрешается пере¬грузка котла, при этом нужно учесть, что паспортная мощ¬ность котлов ДКВР указана для угольного топлива, а при использовании газового или мазутного она увеличивается на 40%.
Настроечные технологические данные параметров опре¬деляются по режимной карте Например, со¬гласно таблице давление пара в барабане котла имеет только одно значение 1,0 МПа (10 кгс/см2). Значит, задат¬чик данного регулятора должен быть отключен. Точность удержания давления пара ± 0,5 кгс/см2.
Регулируемое давление пара непрерыв¬но измеряется датчиком давления преобра-зуется в электросигнал и посылается на усилитель, где он сравнивается с сигналом задатчика. Если оба сигнала равны, т. е. равны заданная величина давления пара Х0 и, действительная его величина X, то рассогласование ΔХ=Х—Х0 равно нулю и система регулирования находится в покое.
Если действительное значение давления пара X откло¬нится в какую-либо сторону от задания Х0, то сигнал рас¬согласования ΔХ поступает на вход усилителя. Когда ΔХ станет больше зоны нечувствительности усилителя, то с него подается командный сигнал на исполнительный механизм. Регулирующий орган будет перемещаться в направлении, необхо¬димом для ликвидации сигнала рассогласования. [4,5]

4 Обоснование контура регулирования, подлежащего расчету
Условия безопасной и надежной работы котлаагрегата требуют, чтобы уровень воды в барабане поддерживался в определенных пределах.
Уровень воды в барабане является одним из основных регулируемых параметров паровых котлов. В равновесном состоянии участок питания котла характеризуется равен-ством между количеством поступающей воды и расходом пара с котла. Если это условие выдерживается, то уровень воды будет неизменным.
Отклонение уровня происходит по следующим причинам: изменение подачи воды, расхода пара (нагрузки котла), тепловой нагрузки топки и давления пара в барабане. Отклонения уровня от среднего положения при его регу¬лировании не должны превышать ±20—30 мм, так как в случае отказа регулятора достаточно 3—4 мин до упуска воды из барабана или его перепитки. Упуск воды приво¬дит к разрыву экранных труб и выходу котла из строя. Перепитка барабана котла приводит к повышению давле¬ния пара, к забросу воды в паропровод, гидравлическим ударам и возможным разрывам паропроводов.
При исследовании химико-технологических процессов как объектов управления необходимо выделить входные, выходные параметры и возмущающие воздействия. Для определения основных регулируемых параметров и возмущающих воздействий, необходимо составить информационную модель процесса. На уровень воды в барабане могут оказывать влияние множество возмущений. Основные из них: изменение расхода питательной воды, изменение нагрузки потребителя, изменение расхода топлива, изменение температуры питательной воды. [4,5]
Рассмотрим информационную модель объекта, представленной на рис. 4.1.

Рисунок 4.1 - Информационная модель объекта
После анализа информационной модели, можно сделать вывод, что на уровень воды в барабане котла действуют множество возмущений. Поэтому сделаем выбор в сторону управления расхода воды и компенсации возмущений, связанных с нагрузкой котла по пару. Так как эти параметры больше всего влияют на материальный баланс барабана котла и его уровень воды.
В результате, систему регулирования уровня воды в барабане котла можно представить в виде следующей структурной схемы:

Рисунок 4.2 - Структурная схема регулирования уровня воды в барабане котла

Структурная схема регулирования уровня воды в барабане котла где:
W1(S) – процент положения регулирующего органа на расходе воды – уровень в барабане котла;
W2(S) – процент положения регулирующего органа на расходе воды – расход воды;
W3(S) – процент положения регулирующего органа на расходе воды – расход пара от котла;
F пара – внешнее возмущающее воздействие – расход пара от котла;
F воды – входное воздействие – расход воды на котел;
L – выходная величина – уровень в барабане котла;
% открытия РО на воде – управляющее воздействие, приложенное к подаче расхода воды в барабан котла.

5 Проведение эксперимента
5.1 Подготовка и проведение эксперимента
Свойства объекта управления необходимо знать при составлении схемы автоматизации, выборе закона регулятора и определении оптимальных значений его настроечных параметров. Правильный учет свойств объектов позволяет создавать АСР, имеющие значительно более высокие показатели качества переходного процесса. Для определения динамических свойств объектов управления анализируют кривые изменения регулируемой выходной величины при типовых возмущающих воздействиях. По кривой разгона определяют динамические характеристики объекта управления: запаздывание, постоянную времени, коэффициент передачи.
Подготовка эксперимента по снятию динамических характеристик объекта регулирования заключается в выборе входной и выходной величин, а также в выборе измерительной аппаратуры. В качестве входной величины принимаем положение регулирующего органа, а в качестве выходной – сигнал измерительного преобразователя, поступающий на вход регулятора. Для снятия временных характеристик объект исследования приводим в равновесное состояние, а затем с помощью дистанционного управления и исполнительного устройства подаем на вход объекта возмущающее воздействие. Реакцию на это воздействие регистрируем в координатах: выходная величина – время.
Проведение эксперимента можно описать схемой:

Рисунок 5.1 - Структурная схема проведения активного эксперимента
где:
1 – устройство регистрации и изменения параметров регуляторов – ЭВМ;
2 – устройство управления и сбора информации об объекте – контроллер;
3 – устройство воздействия на объект – исполнительный механизм;
4 – устройство получения информации об объекте – измерительный преобразователь;
5 –объект управления – газотурбина;
С помощью ЭВМ (1) все регуляторы в контроллере (2) участвующие в регулировании объекта переводятся в ручной режим, затем наносится возмущающее воздействие Х в виде единичного скачка - изменяется процент открытия регулирующего органа, изменением выхода нужного регулятора. Возмущающее воздействие отрабатывает исполнительный механизм (3), и возмущение передается в объект (5). Далее снимается отклик объекта на это возмущение: отклик в виде физического параметра преобразуется измерительным преобразователем (4) в электрический параметр, который поступает в контроллер, где преобразуется в цифровой сигнал. Цифровой сигнал поступает в ЭВМ, где регистрируется до тех пор, пока объект не примет новое установившееся значение. Массив регистрируемых значений отклика и значений времени и будет представлять собой кривую разгона.
Для создания АСР питания барабанного котла необходимо снять три кривые разгона, по структурной схеме эксперимента, приведенной на рис. 5.2.

Рисунок 5.2 - Структурная схема эксперимента
Структурная схема каскадно-комбинированной системы где:
W1(S) – процент положения регулирующего органа на расходе воды – уровень в барабане котла;
W2(S) – процент положения регулирующего органа на расходе воды – расход воды;
W3(S) – процент положения регулирующего органа на расходе воды – расход пара от котла;
F пара – внешнее возмущающее воздействие – расход пара от котла;
F воды – входное воздействие – расход воды на котел;
L – выходная величина – уровень в барабане котла;
% открытия РО на воде – управляющее воздействие, приложенное к подаче расхода воды в барабан котла.
Для регистрации кривой разгона будем использовать ЭВМ и программу WinCC предназначенную для отображения результатов измерений в графическом виде за любой период работы контроллера «Siemens». Проведение эксперимента рассмотрим по фрагменту функциональной схемы, приведенному на рис. 5.3.
Рисунок 5.3 – Схема автоматизации провидения эксперимента
Измерение расхода воды на котел поз. 3а и расхода пара от котла поз. 1а производится вихревыми расходомерами Rosemount 8800D. Данный тип расходомеров имеет высокие эксплуатационные характеристики. Высокую точность 0,5%, надежность. Возможна замена вышедшего из строя чувствительного элемента – сенсора, без снятия корпуса расходомера и остановки измеряемой среды. В виду того, что трубопровод пара очень горячий, порядка 180 °C, а электроника часто не выдерживает таких тепловых нагрузок, расходомер имеет разнесенную конструкцию, то есть чувствительный элемент на трубопроводе, преобразователь устанавливается рядом, в более прохладном месте, между собой они соединяются специальным коаксиальным кабелем из комплекта поставки.
Для измерения уровня в барабане котла поз. 2а применяется датчик перепада давления Rosemount 3051CD. Измеряет разность двух давлений: давления воды в барабане котла и давление пароводяной смеси над уровнем воды. Выходной сигнал 4-20 мА. Отличительной особенность данных датчиков является их относительно не высокая стоимость, качество применяемых материалов, отличные эксплуатационные характеристики и достаточно высокий класс точности на выбор пользователя 0,075; 0,1; 0,2. При эксплуатации датчиков в слабоосвещаемых помещениях, имеется подсветка дисплея, которая включается или отключается по желанию. Так же имеется HART-протокол, для настройки датчиков дистанционно.
5.2 Снятие кривой разгона по основному каналу
Для снятия кривой разгона по основному каналу “ положения регулирующего органа на расходе воды – уровень в барабане котла ”. Процент открытия клапана (подачи воды) поз. 2г увеличиваем на 4%. Для этого открываем программу WinCC (см. рис.5.4).

Рисунок 5.4 - Мнемосхема производства пара БКПРУ-3

Рисунок 5.5 - Мнемосхема с регуляторами в автоматическом режиме

На рис. 5.5 представлена мнемосхема котла ДКВР. Все регуляторы включены в автоматическом режиме, о чем говорит кружочек на зеленом фоне . Для примера показан регулятор уровня воды в барабане котла. Чтобы активный эксперимент провести в должном качестве, необходимо перевести все регуляторы в ручное управление. Для этого необходимо левой кнопкой мыши кликнуть на необходимый регулятор, обозначенный кружком на зеленом фоне , появится новое окно изображенное на рис. 5.6 , для примера показано око регулятора уровня воды в барабане котла.

Рисунок 5.6 - Окно регулятора
В этом окне (рис. 5.6) расположены подряд 3 квадратные пиктограммы: ручное регулирование, автоматическое регулирование, каскадное регулирование. Левой кнопкой мыши мы выбираем первую квадратную пиктограмму с нарисованной на ней рукой , означающей ручное управление.
Внизу этого окошечка находится шкала выходного положения ИМ, и стрелочки влево и вправо, необходимые в будущем для открытия или закрытия с помощью исполнительного механизма регулирующего органа. Закрываем это окошечко, нажав на крестик в верхнем правом углу.
Далее тем же способом переведем все остальные регуляторы в ручной режим. В итоге у нас получается следующее, на рисунке 5.7 показана мнемосхема с регуляторами, переведенными в ручной режим управления.

Рисунок 5.7 - Мнемосхема с регуляторами, переведенными в ручной режим
После перевода всех регуляторов в ручной режим управления, можно приступить к активному эксперименту, но мы должны помнить, что котельная установка в виде парового котла, является объектом без самовыравнивания. При изменении расхода воды в барабан котла, уровень в барабане никогда не достигнет нового установившегося значения, он будет всегда либо увеличиваться, либо уменьшаться. Поэтому активный эксперимент необходимо проводит с долей осторожности, стараясь сильно не «раскачивать» уровень в барабане котла.
Вручную открываем регулирующий орган на подачи воды в котел. Для этого в окне регулятора (рис. 5.6), внизу которого видно процент открытия ИМ и с ним же регулирующего органа, кликаем левой кнопкой мыши на кнопку открыть ,открывая наш ИМ на заданное положение.
Для наблюдения за изменением величин кликаем левой кнопкой мыши на кнопку и выбираем необходимые нам тренды, а именно по уровню «1L2» и по проценту открытия ИМ «1M5».

Рисунок 5.8 - График изменения уровня воды в барабане котла
На рисунке 5.8 представлен график изменения уровня воды в барабане котла (1) от открытия клапана на воде (2) поз.1М5 по мнемосхеме и поз. 2г по схеме автоматизации провидения эксперимента.
При открытии клапана подачи воды в барабан котла на 4% с 67% до 71%, уровень в барабане стал изменятся с 0мм до 20 мм поз. 1L2 по мнемосхеме за 4 минуты 22 секунды. При этом запаздывание составило порядка 20 секунд.
5.3 Снятие кривой разгона по внутреннему каналу
Для снятия кривой разгона по внутреннему каналу “ процент положения регулирующего органа на расходе воды – расход воды ”, открываем клапан расхода воды поз.1М5 по мнемосхеме и поз. 2г по схеме автоматизации провидения эксперимента на 4%. Для этого произведём алгоритм действий, описанный выше для основного канала.
Рассмотрим график изменения расхода воды при открытии клапана на подачи воды в барабан котла.

Рисунок 5.9 - График изменения расхода воды
На рисунке 5.9 показаны: 1- График изменения расхода воды; 2 – Процент открытия клапана поз. 2г.
При открытии клапана поз. 2г на 4 % изменяется расход воды, поз. 1F5 по мнемосхеме и поз. 3а по схеме автоматизации, в котел с 12,3 т/ч до 18,8 т/ч в среднем рисунок 14.
Из трендов (рисунок 14) видно что, расход начал изменятся практически сразу, так как транспортное запаздывание минимально. Участок трубы от клапана до расходомера составляет порядка 14 метров. Из рисунков 13 и 14 видно, что расход воды, поступающий в барабан котла, практически сразу изменился и принял новое установившееся значение. Уровень воды в барабане котла в свою очередь отреагировал с опозданием. При подаче относительной холодной воды в барабан котла, уровень в первый момент начинает уменьшаться, а после возрастает и при этом никогда не примет нового установившегося значения.
5.4 Снятие кривой разгона по каналу возмущения
Для снятия кривой разгона по каналу возмущения “ процент положения регулирующего органа на расходе воды – расход пара от котла”.
Для того чтобы изменить расход пара от котла, в нашем случае снизить его, мы выходим из операторского помещения паровой котельной и направляемся в производственный цех. Поднимаемся на отметку 4.4 метра и выходим на площадку, где расположена задвижка по пару на производство поз. 4а. Делаем 3 оборота задвижки вручную на закрытие и по громкой связи связываемся с оператором, для того чтобы уточнить снизился ли расход пара от котла. Получаем подтверждение о том, что действительно расход снизился, а через некоторое время начинает повышаться уровень в барабане котла. Мы видим это на тренде рисунка 15. Возвращаем задвижку в прежнее положение и перемещаемся обратно в операторскую паровой котельной.

Рисунок 1 - Изменение уровня воды при изменении расхода пара от котла
На рисунке 15 показаны: 1- График изменения уровня воды; 2 – График изменения расхода пара.
При открытии задвижки по пару на производство поз. 4а на 4 % (3 оборота), уровень в барабане стал изменятся с 0мм до 13,368 мм поз. 1L2 по мнемосхеме за 3 минуты 50 секунд. При этом запаздывание составило порядка 50 секунд.
6 Обработка экспериментальных данных
В результате проведения эксперимента были получены динамические характеристики объекта управления. Для получения математического описания объекта в виде передаточной функции необходимо подвергнуть полученные данные дальнейшей обработке. Обработку кривых разгона будем проводить с помощью графоаналитических методов и в программе «Calcul9».
Все методы идентификации требуют, чтобы динамическая характеристика была приведена к единичному виду, то есть нормирована. Полученные динамические характеристики выражены в натуральных единицах, а величина возмущающего воздействия принимается за единичный скачок, следовательно, и выходная величина должна быть принята в относительных единицах, где максимальное значение равно единице. Нормирование осуществлялось в программе «Calcul9» «Калькулятор передаточных функций» по формуле:

Для этого в программе выбираем меню «Объект управления». В появившемся окне в меню «Динамическая характеристика» выбираем пункт «Создать». В окне «Редактирование» вводим точки кривой разгона, предварительно задав для динамической характеристики в окне «Объект»: кол-во точек, начальное время, шаг изменения. В окне «Редактирование» в меню «Обработка» выбираем пункты «Сгладить» – «По пяти точкам». Затем после сглаживания кривой в меню «Обработка» выбираем пункт «Нормировать» и получаем нормированную кривую.

6.1 Обработка кривой разгона основного канала

Рисунок 6.1 – Нормированная кривая разгона объекта по основному каналу.
Определение передаточной функции объекта по основному каналу проводим по кривой разгона, полученной в результате эксперимента. Расчёт ведём в соответствии с рекомендованной последовательностью как для объекта без самовыравнивания. К кривой разгона проводим асимптоту.

Рисунок 6.2 – Обработка кривой разгона: 1-Кривая разгона объекта по основному каналу; 2- Асимптота.
Находим тангенс угла наклона асимптоты:
tg a = k1 = (20,268 - 0) / (145 - 43) = 0,198 (мм/с).
Далее оформляем таблицу 6.1 В столбце 1 записываем время t, в столбце 2 - значения кривой разгона по данным эксперимента, в столбце 3 - значения прямой Х1(t), которые находим по формуле:
Таблица 6.1
Разложение кривой разгона объекта на ряд фиктивных объектов
время,
сек уровень,
мм.вод.ст Х1=К1хt Х2=Х1-Хвых Х1норм Х2норм
0 0,000 0 0 0 0
5 0,000 0,995 0,995 0,115873 0,115873
10 0,000 1,99 1,99 0,231746 0,231746
15 0,000 2,985 2,985 0,347618 0,347618
20 0,060 3,98 3,92 0,463491 0,456504
25 0,217 4,975 4,758 0,579364 0,554093
30 0,458 5,97 5,512 0,695237 0,641901
35 0,819 6,965 6,146 0,81111 0,715733
40 1,277 7,96 6,683 0,926983 0,778269
45 1,818 8,955 7,137 1,042855 0,83114
50 2,445 9,95 7,505 1,158728 0,873996
55 3,167 10,945 7,778 1,274601 0,905788
60 3,890 11,94 8,05 1,390474 0,937464
65 4,697 12,935 8,238 1,506347 0,959357
70 5,540 13,93 8,39 1,62222 0,977058
75 6,419 14,925 8,506 1,738092 0,990567
80 7,322 15,92 8,598 1,853965 1,001281
85 8,285 16,915 8,63 1,969838 1,005008
90 9,309 17,91 8,601 2,085711 1,00163
95 10,333 18,905 8,572 2,201584 0,998253
100 11,320 19,9 8,58 2,317457 0,999185
105 12,344 20,895 8,551 2,433329 0,995808
110 13,368 21,89 8,522 2,549202 0,99243
115 14,331 22,885 8,554 2,665075 0,996157
120 15,355 23,88 8,525 2,780948 0,99278
125 16,378 24,875 8,497 2,896821 0,989519
130 17,342 25,87 8,528 3,012694 0,993129
135 18,305 26,865 8,56 3,128566 0,996856
140 19,269 27,86 8,591 3,244439 1,000466
145 20,268 28,855 8,587 3,360312 1

Вычитая из прямой Х1(t) исходную кривую Хвых(t) получаем функцию Х2(t).

Значения полученной кривой записываем в столбец 4 таблицы 6.1
Таким образом, исходную кривую разгона мы разложили на два фиктивных объекта - Х1(t) и Х2(t). Первый из которых - прямая, второй - кривая обычного объекта с самовыравниванием. Значения кривых Х1(t) и Х2(t) делим на Х2 max = 8,587 мм. вод. ст. и получившиеся значения Х1(t)норм. и Х2(t)норм. заносим в столбцы 5 и 6 таблицы 6.1. Таким образом, обе фиктивные функции приведены к безразмерной форме.
Полученные фиктивные объекты изображены на рис. 6.3.

Рисунок 6.3 – Нормированные кривые: 1- первого фиктивного объекта;
2 - второго фиктивного объекта.
Передаточная функция, соответствующая кривой первого фиктивного объекта, представляет собой передаточную функцию интегрирующего звена и может быть записана в следующем виде:

Определение передаточной функции второго фиктивного объекта производится в том же порядке, что и для объектов с самовыравниванием. Подобные объекты отлично рассчитываются с помощью программного обеспечения, в частности Calcul9. Для расчёта передаточной функции достаточно ввести в программу значения точек кривой разгона объекта:

 

 

Находим следующие коэффициенты по основному каналу (для W1(S)):
А В
k(0) 0 1
К(1) 43,48 15,89
К(2) 1199,31 125,47
К(3) 8237,83

Коэффициент передачи объекта по основному каналу составляет:

, где

w - величина внешнего возмущения, w = 10 %.

Проверка аппроксимации
Проверку аппроксимации проводим для нахождения статической ошибки между экспериментальной кривой разгона и кривой полученной по расчётному переходному процессу по каждому каналу.
Проверку аппроксимации проводим с помощью теоремы разложения в программе «Калькулятор передаточных функций» CALCUL 9. После ввода в программу коэффициентов передаточной функции, получим следующее математическое выражение реакции системы на единичное ступенчатое воздействие y(t):

y(t)=+Exp^(-0,068*(t+20,000))*(+1,432)+Exp^(-0,077*(t+20,000))*(-1,163)+0,023*(t+20,000)^1-0,269

Корни аналитического выражения:

-0,068-j0,000
-0,077-j0,000
0,000+j0,000

Координаты точек нормированной и аппроксимированной кривых разгона по основному каналу W1(S) занесем в таблицу 6.2.

 


Таблица 6.2
Проверка аппроксимации кривой переходного процесса
по каналу внешнего возмущения
время,
сек уровень,
мм. нормированное значение аппроксимированное значение погрешность
0 0,000 0 0 0
5 0,000 0 0 0
10 0,000 0 0 0
15 0,000 0 0 0
20 0,060 0,00296 0,000001 0,295933
25 0,217 0,010707 0,018405 -0,76985
30 0,458 0,022597 0,036829 -1,42318
35 0,819 0,040409 0,056717 -1,63085
40 1,277 0,063006 0,085632 -2,26263
45 1,818 0,089698 0,112659 -2,2961
50 2,445 0,120634 0,14864 -2,80065
55 3,167 0,156256 0,186322 -3,00658
60 3,890 0,191928 0,225421 -3,34928
65 4,697 0,231745 0,265671 -3,39264
70 5,540 0,273337 0,306835 -3,34977
75 6,419 0,316706 0,348716 -3,20099
80 7,322 0,361259 0,391151 -2,98919
85 8,285 0,408772 0,43401 -2,52376
90 9,309 0,459295 0,487191 -2,78956
95 10,333 0,509818 0,530615 -2,07966
100 11,320 0,558516 0,584222 -2,57061
105 12,344 0,609039 0,637964 -2,89251
110 13,368 0,659562 0,691808 -3,22461
115 14,331 0,707075 0,735726 -2,86508
120 15,355 0,757598 0,7797 -2,21018
125 16,378 0,808072 0,823714 -1,56422
130 17,342 0,855634 0,867758 -1,21235
135 18,305 0,903148 0,911824 -0,86762
140 19,269 0,95071 0,955906 -0,51955
145 20,268 1 1 0

Сравнение графиков нормированной и аппроксимированной кривых разгона представлено на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4 – Сравнение кривых разгона: 1-нормированная; 2- аппроксимированная.
6.2 Обработка кривой разгона внутреннего канала
Аналогично обработке данных основного канала, получим нормированную и аппроксимированную кривую разгона для внутреннего контура. По полученным данным табл.6.3 строим график нормированной кривой разгона рис.6.5
Таблица. 6.3
Проверка аппроксимации кривой переходного процесса по внутреннему каналу
Время,
сек. Расход
воды, т/ч нормированное значение уровня аппроксимированное значение уровня погрешность
0 12,3 0 0 0
0,5 12,45 0,060932 0,031891 2,904107
1 12,68 0,121864 0,109251 1,261301
1,5 13,25 0,191159 0,210609 -1,94496
2 13,94 0,276583 0,321048 -4,44653
2,5 14,62 0,381123 0,430658 -4,95346
3 15,31 0,492832 0,533256 -4,04243
3,5 16,18 0,604241 0,625373 -2,11318
4 16,99 0,708184 0,705449 0,273463
4,5 17,67 0,798984 0,773217 2,576772
5 18,1 0,868578 0,829236 3,934246
5,5 18,35 0,916965 0,874554 4,241102
6 18,51 0,946535 0,910464 3,607082
6,5 18,61 0,964456 0,938335 2,612121
7 18,66 0,975806 0,959503 1,630338
7,5 18,7 0,982975 0,975205 0,777001
8 18,73 0,987754 0,986542 0,121225
8,5 18,75 0,991637 0,994464 -0,28269
9 18,77 0,994624 0,999771 -0,51469
9,5 18,79 0,997312 1,00312 -0,58077
10 18,8 1 1,00504 -0,50397

Рисунок 6.5 – График нормированной кривой разгона внутреннего канала.

Для получения передаточной функции W2(S) используем метод Симою (метод площадей) Находим следующие коэффициенты по внутреннему каналу (для W2(S)):

А В
К(0) 1 1
К(1) 3,118
К(2) 3,357

Проверку аппроксимации проводим с помощью теоремы разложения в программе «Калькулятор передаточных функций» CALCUL 9. После ввода в программу коэффициентов передаточной функции, получим следующее математическое выражение реакции системы на единичное ступенчатое воздействие y(t):
y(t)=+Exp^(-0,464t) * (+1,903*cos(t*0,287+2,124))+1,000
Корни аналитического выражения:
-0,464-j0,287
-0,464+j0,287
Сравним графики нормированных и аппроксимированных кривых разгона для внутреннего канала (для W2(S)) (рис. 6.6):

Рисунок 6.6 – Сравнение кривых разгона: 1-нормированная; 2- аппроксимированная.
6.3 Обработка кривой разгона внешнего возмущения
Аппроксимацию переходного процесса по каналу внешнего возмущения проводим в последовательности, проведённой при аппроксимации переходного процесса по основному каналу, так как оба объекта являются объектами без самовыравнивания.
Из графика находим тангенс угла наклона асимптоты:
k1 = tg a = (0 -13,368) / (230-90) =0,0955; (мм./с.).

Рисунок 6.7 – Обработка кривой разгона по каналу внешнего возмущения: 1-Кривая разгона объекта по основному каналу; 2- Асимптота.
Далее оформляем таблицу 6.4. В столбце 1 записываем время t, в столбце 2 - значения кривой разгона по данным эксперимента, в столбце 3 - значения прямой Х1(t), которые находим по формуле:

Таблица 6.4
Разложение кривой разгона объекта на ряд фиктивных объектов
время,
сек уровень,
мм.вод.ст Х1=К1хt Х2=Х1-Хвых Х1норм Х2норм
0 0 0 0 0 0
10 0 0,955 0,955 0,111107 0,111107
20 0 1,910 1,910 0,222215 0,222215
30 0 2,865 2,865 0,333322 0,333322
40 0 3,819 3,819 0,44443 0,44443
50 0,06 4,774 4,714 0,555537 0,548555
60 0,217 5,729 5,512 0,666645 0,641394
70 0,458 6,684 6,226 0,777752 0,724459
80 0,819 7,639 6,820 0,888859 0,79356
90 1,277 8,594 7,317 0,999967 0,851375
100 1,818 9,549 7,731 1,111074 0,899531
110 2,445 10,503 8,058 1,222182 0,937681
120 3,167 11,458 8,291 1,333289 0,964776
130 3,89 12,413 8,523 1,444396 0,991755
140 4,697 13,368 8,671 1,555504 1,00896
150 5,64 14,323 8,683 1,666611 1,010339
160 6,619 15,278 8,659 1,777719 1,00753
170 7,552 16,233 8,681 1,888826 1,010073
180 8,585 17,187 8,602 1,999934 1,000981
190 9,509 18,142 8,633 2,111041 1,004571
200 10,463 19,097 8,634 2,222148 1,004671
210 11,39 20,052 8,662 2,333256 1,007912
220 12,374 21,007 8,633 2,444363 1,004521
230 13,368 21,962 8,594 2,555471 0,999967

Вычитая из исходной кривой Хвых(t) прямую Х1(t) получаем функцию Х2(t).

Значения полученной кривой записываем в столбец 4 таблицы 6.4.
Таким образом, исходную кривую разгона мы разложили на два фиктивных объекта - Х1(t) и Х2(t). Первый из которых - прямая, второй - кривая обычного объекта с самовыравниванием. Значения кривых Х1(t) и Х2(t) делим на Х2 max = 8,594 мм. вод. ст. и получившиеся значения Х1(t)норм. и Х2(t)норм. заносим в столбцы 5 и 6 таблицы 6.4. Таким образом, обе фиктивные функции приведены к безразмерной форме.
Полученные фиктивные объекты изображены на рис. 6.8

Рисунок 6.8 – Нормированные кривые: 1- первого фиктивного объекта;
2 - второго фиктивного объекта.

Передаточная функция, соответствующая кривой первого фиктивного объекта, представляет собой передаточную функцию интегрирующего звена и может быть записана в следующем виде:

 

Определение передаточной функции второго фиктивного объекта производится в том же порядке, что и для объектов с самовыравниванием. Подобные объекты отлично рассчитываются с помощью программного обеспечения, в частности Calcul9. Для расчёта передаточной функции достаточно ввести в программу значения точек кривой разгона объекта:

 

 

 

 

Находим следующие коэффициенты по основному каналу (для W3(S)):
А В
k(0) 0 1
К(1) 90,1 35,05
К(2) 4961,26 546,31
К(3) 92397,93

Коэффициент передачи объекта по каналу внешнего возмущения составляет:

, где

w - величина внешнего возмущения, w = 25 т/ч
Проверка аппроксимации
Проверку аппроксимации проводим для нахождения статической ошибки между экспериментальной кривой разгона и кривой полученной по расчётному переходному процессу по каждому каналу.
Проверку аппроксимации проводим с помощью теоремы разложения в программе «Калькулятор передаточных функций» CALCUL 9. После ввода в программу коэффициентов передаточной функции, получим следующее математическое выражение реакции системы на единичное ступенчатое воздействие y(t):

y(t)=+Exp^(-0,027*(t+50,000))*(+0,227*cos( (t+50,000)*0,016+-0,216))+0,011*(t+50,000)^1-0,222

Корни аналитического выражения:

-0,027-j0,016
-0,027+j0,016
0,000-j0,000

Координаты точек нормированной и аппроксимированной кривых разгона по основному каналу W3(S) занесем в таблицу 6.5.

 

Таблица 6.5
Проверка аппроксимации кривой переходного процесса по каналу внешнего возмущения
Время,
сек. Уовень,
мм нормированное значение уровня апроксимированное значение уровня погрешность
0 0 0 0 0
10 0 0 0 0
20 0 0 0 0
30 0 0 0 0
40 0 0 0 0
50 0,06 0,00448833 0,000000003 0,448833
60 0,217 0,016232795 0,025201667 -0,89689
70 0,458 0,034260922 0,054447114 -2,01862
80 0,819 0,061265709 0,097801368 -3,65357
90 1,277 0,095526631 0,13499492 -3,94683
100 1,818 0,135996409 0,175582884 -3,95865
110 2,445 0,182899461 0,22905116 -4,61517
120 3,167 0,236909037 0,274883668 -3,79746
130 3,89 0,290993417 0,332601792 -4,16084
140 4,697 0,35136146 0,391784643 -4,04232
150 5,64 0,421903052 0,46207657 -4,01735
160 6,619 0,495137642 0,533186677 -3,8049
170 7,552 0,564931179 0,604883691 -3,99525
180 8,585 0,642205266 0,676988499 -3,47832
190 9,509 0,711325554 0,749365882 -3,80403
200 10,463 0,782690006 0,811916402 -2,92264
210 11,39 0,85203471 0,874568974 -2,25343
220 12,374 0,925643327 0,937274409 -1,16311
230 13,368 1 1 0

Сравнение графиков нормированной и аппроксимированной кривых разгона по каналу внешнего возмущения представлено на рисунке 6.9.

Рисунок 6.9 – Сравнение кривых разгона по каналу внешнего возмущения: 1-нормированная; 2- аппроксимированная.
Результаты аппроксимации сведём в таблицу:
Таблица 6.6. Сводная таблица результатов аппроксимации.
Таблица 6.6
Передаточные функции по каналам W1(S), W2(S), W3(S)
Передаточная функция Относительная погрешность, %

3,39%

4,95%

4,62%

Так как максимальное отклонение расчётных кривых от экспериментальных не превышает 5%, то полученные передаточные функции могут быть использованы для дальнейших расчётов.
7 Расчет схемы регулирования
В разделе 6 «Обработка экспериментальных данных» были получены передаточные функции, отражающие динамические свойства объекта управления. Предварительно сложно определить какая схема регулирования лучше справиться с поставленной задачей, поэтому будем рассчитывать несколько вариантов схем: одноконтурную, каскадную и комбинированную схемы.
Порядок расчета:
1. Задаемся известной передаточной функцией.
2. Выбираем тип регулятора.
3. Определяем настройки регулятора.
7.1 Расчет одноконтурной системы регулирования
Передаточная функция объекта основного канала W1(S) - уровень воды в барабане котла – изменение расхода воды в барабан котла имеет вид:

Структурная схема одноконтурная АСР питания котла изображена на рис. 7.1

Рисунок 7.1 – Структурная схема одноконтурная АСР
Где:
– задание, входное воздействие – изменение подачи воды в барабан котла;
– выходная величина – уровень в барабане котла;
– передаточная функция регулятора;
– передаточная функция объекта.
Для расчета оптимальных настроек регулятора будем использовать программу «Calcul9». После запуска программы в главном меню выбираем пункт «Оптимальный регулятор». В поле данных вносим параметры передаточной функции объекта регулирования, вводим тип регулятора и далее нажимаем «Вычислить». В данном случае выбираем ПИ регулятор, так как нужна точность регулирования и быстродействие. Получим следушие настройки регулятора изображенные на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 – Настройки регулятора одноконтурной АСР
Коэффициент пропорциональности Кр = 0,785;
Время интегрирования Tи=129,766;
Оптимальная частота wопт=0,02;
Передаточная функция ПИ – регулятора имеет вид:
,

7.2 Расчет каскадной системы регулирования
7.2.1. Расчет внутреннего контура
Для более оптимального ведения процесса парообразования и поддержания технологических параметров на заданном уровне, возможно реализовать каскадную схему управления. Каскадная система регулирования является одной из распространенных систем регулирования с одной регулируемой величиной, в которой вводится дополнительная стабилизация некоторой промежуточной величины дополнительным регулятором. Такая система состоит из двух контуров (внутренний контур – стабилизирующий или ведомый, внешний – корректирующий или ведущий).
На рис. 7.3. изображена структурная схема каскадной АСР, по которой производим расчет оптимальных настроек регулятора.

Рисунок 7.3 – Структурная схема каскадной АСР
Где:
– задание, входное воздействие – заданный расход воды;
– выходная величина – уровень в барабане котла;
– передаточная функция ведомого регулятора;
– передаточная функция ведущего регулятора;
– передаточная функция объекта по основному контуру;
– передаточная функция объекта по внутреннему контуру.
Регулятор Р2 контролирует основную величину Х и при ее отклонении воздействует не на регулирующий орган, а на задание регулятора Р1. А регулятор Р1, в свою очередь, поддерживает на заданном значении вспомогательную величину Х1. Такая система является двухконтурной.
Внутренний контур, образованный и является стабилизирующим или ведомым. Внешний контур, образованный и является корректирующим или ведущим.
Расчет оптимальных настроек регуляторов для каскадной АСР будем проводить в следующей последовательности:
1. Определяем настройки регулятора внутреннего контура.
2. Определяем вид передаточной функции для эквивалентного объекта.
3. По передаточной функции эквивалентного объекта определяем настройки регулятора для внешнего контура.
Настройки регулятора внутреннего контура определяем по передаточной функции внутреннего канала объекта:

Расчет проводим аналогично расчету одноконтурной АСР. Получаем следующие настройки регулятора (рис. 7.4):

Рисунок 7.4 – Настройки регулятора внутреннего контура АСР
Коэффициент передачи объекта Кр = 1,193
Время интегрирования Tи=2,085;
Оптимальная частота wопт=0,605;
Передаточная функция ПИ – регулятора имеет вид:
,

7.2.2 Расчет эквивалентного объекта
Для определения инерционности контуров построим в одной системе координат динамическую нормированную характеристику по основному каналу и кривую переходного процесса по внутреннему каналу.

Рисунок 7.5 – Графики кривой разгона по основному каналу (1) и переходного процесса внутреннего канала по возмущению(2).
Как видно из рисунка инерционность внутреннего контура значительно меньше инерционности основного, следовательно, передаточная функция эквивалентного объекта, по которой определим настройки ведущего регулятора, имеет вид:
,
Где:
– передаточная функция эквивалентного объекта;
– передаточная функция основного канала;
– передаточная функция внутреннего канала.
Выражения передаточных функций и рассчитаны ранее в разделе 6 и имеют вид:


С помощью программы «Calcul9» получим следующее выражение передаточной функции эквивалентного объекта Wэ(S) (рис. 7.6):

Рисунок 7.6 – Передаточная функция эквивалентного объекта
В программе «Calcul9» определяем настройки ведущего регулятора. Для ПИ-регулятора получаем (рис. 7.7):

Рисунок 7.7 – Настройки регулятора
Коэффициент пропорциональности Кр=0,884;
Время интегрирования Tи=108,479;
Оптимальная частота опт=0,056;
Передаточная функция ПИ – регулятора запишется:


После определения настроечных параметров ведущего регулятора пересчитываем настройки стабилизирующего регулятора по передаточной функции, определяемой по формуле:

Получим следующую передаточную функцию эквивалентного объекта:
В программе «Calcul9» получаем следующие уточненные настройки ведомого регулятора (рис. 7.8):

Рисунок 7.8 – Настройки регулятора
Коэффициент пропорциональности Кр = 1,349;
Время интегрирования Tи = 15,568;
Оптимальная частота опт = 0,017.
Передаточная функция ПИ – регулятора запишется:


7.3 Расчет комбинированной системы регулирования
В течение технологического процесса возможна ситуация, когда паропроизводительность котла не будет соответствовать количеству потребляемого пара потребителем. Это несоответствие, безусловно, отразится на уровне воды в барабане котла, таким образом, это будет являться возмущающим воздействием, и тогда нет смысла дожидаться, когда это возмущение отразится на уровне воды и регулятор питания котла его отработает. Это возмущение можно зафиксировать корректирующим устройством. Введение этого добавочного воздействия призвано давать более своевременную информацию о появлении возмущения от расхода пара (ещё до того, как оно успеет подействовать на основную регулирующую величину).
Структурная схема каскадно-комбинированной системы регулирования приведена на рис. 7.9.

Рисунок 7.9 – Структурная схема каскадно-комбинированной системы
Где:
– задание, входное воздействие – заданный расход воды;
– выходная величина – уровень в барабане котла;
– возмущающее воздействие – расход пара от котла;
– передаточная функция ведомого регулятора;
– передаточная функция ведущего регулятора;
– передаточная функция устройства ввода возмущения;
– передаточная функция объекта по основному контуру;
– передаточная функция объекта по внутреннему контуру;
– передаточная функция объекта по каналу возмущения.
Для определения настроек компенсирующего устройства определим передаточную функцию эквивалентного объекта для компенсирующего устройства Wк(S):

Где:
– передаточная функция устройства ввода возмущения;
– передаточная функция объекта по каналу возмущения;
– передаточная функция ведущего регулятора каскадной АСР;
– передаточная функция эквивалентного объекта каскадной АСР.
Выражение передаточной функций рассчитано ранее в разделе 6 и имеет вид:

Выражение передаточной функций рассчитано ранее в п. 7.2.2 и имеет вид:

Выражение передаточной функций рассчитано ранее в п. 7.2.2 и имеет вид:

Подставим значения передаточных функций эквивалентного объекта, внешнего регулятора каскадной АСР и канала внешнего возмущения в формулу для вычисления передаточной функции регулятора. Проведем соответствующие математические вычисления в программе «Calcul9». Получим следующую передаточную функцию компенсатора:

Расчёт настроечных параметров компенсатора проводим для нулевой и для резонансной частоты. Резонансная частота для основного канала АСР составляет 0,005 рад/с. Для определения векторов загрузим передаточную функцию Wк(S) в программу Calcul9. Полученные значения представлены в таблицу 7.1.
Таблица 7.1
Значения векторов для расчёта компенсирующего устройства
Частота Вещественная составляющая U Мнимая составляющая V

0,000 0,000

0,351166 6,1
В качестве компенсирующего устройства выберем реальное дифференцирующее звено вида:
Для определения настроек компенсирующего устройства на координатной плоскости отложим вектора рис. 7.10 для нулевой и резонансной частоты из табл. 7.1. Через конец вектора и началом координат проведём окружность с центром на вещественной полуоси.

Рисунок 7.10 – Определение настроек компенсирующего устройства
Настройки компенсирующего устройства найдём по формулам:
Кд=OB=25,86;

OA=0,3511
AB=OB-OA
AB= 25,51

Передаточная функция компенсирующего устройства запишется:


8 Моделирование рассчитанной системы регулирования

Моделирование будем проводить, используя программное обеспечение «MatLab» с использованием библиотеки Simulink. В данном пакете произведем моделирование процесса, используя передаточные функции рассчитанных каналов. Данные передаточные функции и настройки регуляторов были получены в предыдущих разделах 6 и 7. По этим данным получим отклики на единичный скачек по каналу управления и по каналу возмущения следующих систем: одноконтурная, каскадная, каскадно-комбинированная.
8.1 Переходные процессы в одноконтурной системе регулирования
Для моделирования переходных процессов в одноконтурной АСР по управлению воспользуемся моделью, показанной на рис 8.1.:

Рисунок 8.1 – Модель одноконтурной АСР для снятия переходного процесса по управлению
На рис. 8.1 обозначены:
1, 2 – блок генерации ступенчатого выходного сигнала;
3, 4 – блок суммирования или вычитания входных сигналов;
5 – блок, реализующий функцию ПИ регулятора;
6 – блок, реализующий передаточную функцию по основному каналу ;
7 – блок, регистрирующий изменение контролируемой величины во времени для дальнейшего графического анализа;
8 – точка подачи возмущающих воздействий анализатора LTI Viewer;
9 – точка контроля анализатора LTI Viewer;
10 – блок, реализующий запаздывание основного канала W1(S).
Параметры настройки блока ПИ регулятора показаны на рис. 8.2. Так как блок ПИ регулятора использует коэффициент интегральной составляющей , то в настройках блока ПИ регулятора указана величина .

Рисунок 8.2 – Параметры настройки блока ПИ регулятора.
Полученный график переходного процесса в одноконтурной АСР по управлению показан на рис. 8.3.

Рисунок 8.3 – График переходного процесса в одноконтурной АСР по управлению

Для моделирования переходных процессов в одноконтурной АСР по возмущению воспользуемся моделью, показанной на рис 8.4.:

Рисунок 8.4 – Модель одноконтурной АСР для снятия переходного процесса по возмущению
На рис. 8.4 обозначены:
1, 2 – блок генерации ступенчатого выходного сигнала;
3, 4 – блок суммирования или вычитания входных сигналов;
5 – блок, реализующий функцию ПИ регулятора;
6 – блок, реализующий передаточную функцию по основному каналу ;
7 – блок, регистрирующий изменение контролируемой величины во времени для дальнейшего графического анализа;
8 – точка подачи возмущающих воздействий анализатора LTI Viewer;
9 – точка контроля анализатора LTI Viewer;
10 – блок, реализующий запаздывание основного канала W1(S).
Параметры настройки блока ПИ регулятора не изменяются и показаны на рис. 8.2.
Полученный график переходного процесса в одноконтурной АСР по возмущению показан на рис. 8.5.

Рисунок 8.5 – График переходного процесса в одноконтурной АСР по возмущению

Проанализируем полученные графики переходных процессов в одноконтурной АСР, полученные показатели качества переходного процесса показаны в таблице 8.1.
Таблица 8.1
Качественные показатели регулирования в одноконтурной АСР
Параметр По управлению По возмущению
Перерегулирование 56,7 % -
Динамическая ошибка 0,57 1,15
Время регулирования 398 с. 383 с.

8.2 Переходные процессы во внутреннем контуре каскадной системы регулирования
Для моделирования переходных процессов во внутреннем контуре каскадной АСР по управлению воспользуемся моделью, показанной на рис 8.6.:

Рисунок 8.6 – Модель внутреннего контура каскадной АСР для снятия переходного процесса по управлению
На рис. 8.6 обозначены:
1, 2 – блок генерации ступенчатого выходного сигнала;
3, 4 – блок суммирования или вычитания входных сигналов;
5 – блок, реализующий функцию ПИ регулятора;
6 – блок, реализующий передаточную функцию по основному каналу ;
7 – блок, регистрирующий изменение контролируемой величины во времени для дальнейшего графического анализа;
8 – точка подачи возмущающих воздействий анализатора LTI Viewer;
9 – точка контроля анализатора LTI Viewer.
Параметры настройки блока ПИ регулятора показаны на рис. 8.7. Так как блок ПИ регулятора использует коэффициент интегральной составляющей , то в настройках блока ПИ регулятора указана величина .

Рисунок 8.7 – Параметры настройки блока ПИ регулятора
Полученный график переходного процесса во внутреннем контуре каскадной АСР по управлению показан на рис. 8.8.

Рисунок 8.8 – График переходного процесса во внутреннем контуре каскадной АСР по управлению
Для моделирования переходных процессов во внутреннем контуре каскадной АСР по возмущению воспользуемся моделью, показанной на рис 8.9.:

Рисунок 8.9 – Модель внутреннего контура каскадной АСР для снятия переходного процесса по возмущению
На рис. 8.9 обозначены:
1, 2 – блок генерации ступенчатого выходного сигнала;
3, 4 – блок суммирования или вычитания входных сигналов;
5 – блок, реализующий функцию ПИ регулятора;
6 – блок, реализующий передаточную функцию по основному каналу ;
7 – блок, регистрирующий изменение контролируемой величины во времени для дальнейшего графического анализа;
8 – точка подачи возмущающих воздействий анализатора LTI Viewer;
9 – точка контроля анализатора LTI Viewer.
Параметры настройки блока ПИ регулятора не изменяются и показаны на рис. 8.7.
Полученный график переходного процесса во внутреннем контуре каскадной АСР по возмущению показан на рис. 8.10.

Рисунок 8.10 – График переходного процесса во внутреннем контуре каскадной АСР по возмущению
Проанализируем полученные графики переходных процессов во внутреннем контуре каскадной АСР, полученные показатели качества переходного процесса показаны в таблице 8.2.
Таблица 8.2.
Качественные показатели регулирования во внутреннем контуре каскадной АСР.
Параметр По управлению По возмущению
Перерегулирование 9,25 % -
Динамическая ошибка 0,09 -
Время регулирования 7,14 с. 8,86 с.

8.3 Переходные процессы в каскадной системе регулирования
Для моделирования переходных процессов в каскадной АСР по управлению воспользуемся моделью, показанной на рис 8.11.:

Рисунок 8.11 – Модель каскадной АСР для снятия переходного процесса по управлению
На рис. 8.11. обозначены:
1, 2 – блок генерации ступенчатого выходного сигнала;
3, 4, 5 – блок суммирования или вычитания входных сигналов;
6, 7 – блок, реализующий функцию ПИ регулятора;
8 – блок, реализующий передаточную функцию по основному каналу ;
9 – блок, реализующий передаточную функцию по внутреннему каналу ;
10 – блок, регистрирующий изменение контролируемой величины во времени для дальнейшего графического анализа;
11 – точка подачи возмущающих воздействий анализатора LTI Viewer;
12 – точка контроля анализатора LTI Viewer;
13 – блок, реализующий запаздывание основного канала W1(S).
Параметры настройки блоков ПИ регуляторов показаны на рис. 8.12.

Рисунок 8.12 – Параметры настройки блоков ПИ регуляторов
Полученный график переходного процесса в каскадной АСР по управлению показан на рис. 8.13.

Рисунок 8.13 – График переходного процесса в каскадной АСР по управлению
Для моделирования переходных процессов в каскадной АСР по возмущению воспользуемся моделью, показанной на рис 8.14.:

Рисунок 8.14 – Модель каскадной АСР для снятия переходного процесса по возмущению
На рис. 8.14 обозначены:
1, 2 – блок генерации ступенчатого выходного сигнала;
3, 4, 5 – блок суммирования или вычитания входных сигналов;
6, 7 – блок, реализующий функцию ПИ регулятора;
8 – блок, реализующий передаточную функцию по основному каналу ;
9 – блок, реализующий передаточную функцию по внутреннему каналу ;
10 – блок, регистрирующий изменение контролируемой величины во времени для дальнейшего графического анализа;
11 – точка подачи возмущающих воздействий анализатора LTI Viewer;
12 – точка контроля анализатора LTI Viewer;
13 – блок, реализующий запаздывание основного канала W1(S).
Параметры настройки блока ПИ регулятора не изменяются и показаны на рис. 8.12. Полученный график переходного процесса в каскадной АСР по возмущению показан на рис. 8.15.

Рисунок 8.15 – График переходного процесса в каскадной АСР по возмущению
Проанализируем графики переходных процессов в каскадной АСР, полученные показатели качества переходного процесса показаны в таблице 8.3.
Таблица 8.3
Качественные показатели регулирования в каскадной АСР
Параметр По управлению По возмущению
Перерегулирование 42 % -
Динамическая ошибка 0,42 -
Время регулирования 280 с. 607 с.

8.4 Переходные процессы по возмущению в комбинированной системе регулирования без компенсирующего устройства и с компенсирующим устройством

Для моделирования переходных процессов по возмущению в комбинированной АСР без компенсирующего устройства воспользуемся моделью, показанной на рис 8.16.:

Рисунок 8.16 – Модель комбинированной АСР без компенсирующего устройства для снятия переходного процесса по возмущению
На рис. 8.16. обозначены:
1, 2 – блок генерации ступенчатого выходного сигнала;
3, 4, 5 – блок суммирования или вычитания входных сигналов;
6, 7 – блок, реализующий функцию ПИ регулятора;
8 – блок, реализующий передаточную функцию по основному каналу ;
9 – блок, реализующий передаточную функцию по внутреннему каналу ;
10 – блок, реализующий передаточную функцию по каналу возмущения ;
11 – блок, регистрирующий изменение контролируемой величины во времени для дальнейшего графического анализа;
12 – точка подачи возмущающих воздействий анализатора LTI Viewer;
13 – точка контроля анализатора LTI Viewer;
14 – блок, реализующий запаздывание основного канала W1(S).

Параметры настройки блоков ПИ регуляторов показаны на рис. 8.17.

Рисунок 8.17 – Параметры настройки блоков ПИ регуляторов
Для моделирования переходных процессов по возмущению в комбинированной АСР с компенсирующим устройством воспользуемся моделью, показанной на рис 8.18.:

Рисунок 8.18 – Модель комбинированной АСР с компенсирующим устройством для снятия переходного процесса по возмущению
На рис. 8.18 обозначены:
1, 2 – блок генерации ступенчатого выходного сигнала;
3, 4, 5, 6 – блок суммирования или вычитания входных сигналов;
7, 8 – блок, реализующий функцию ПИ регулятора;
9 – блок, реализующий передаточную функцию по основному каналу ;
10 – блок, реализующий передаточную функцию по внутреннему каналу ;
11 – блок, реализующий передаточную функцию по каналу возмущения ;
12 – блок, реализующий передаточную функцию компенсирующего устройства ;
13 – блок, регистрирующий изменение контролируемой величины во времени для дальнейшего графического анализа;
14 – точка подачи возмущающих воздействий анализатора LTI Viewer;
15 – точка контроля анализатора LTI Viewer;
16 – блок, реализующий запаздывание основного канала W1(S).

Параметры настройки блока ПИ регулятора не изменяются и показаны на рис. 8.17. Полученные графики переходных процессов в комбинированной АСР по возмущению показаны на рис. 8.19.

Рисунок 8.19 – Графики переходных процессов в комбинированной АСР по возмущению: 1 – без компенсирующего устройства; 2 – с компенсирующим устройством.
Проанализируем полученные графики переходных процессов в каскадной АСР, полученные показатели качества переходного процесса показаны в таблице 8.4.
Таблица 8.4
Качественные показатели регулирования в комбинированной АСР
Параметр Без компенсатора С компенсатором
Динамическая ошибка 0,47 0,2
Время регулирования 594 с. 460 с.


9 Анализ качества переходных процессов и выбор системы регулирования
Для анализа качества переходных процессов строим годографы частотных характеристик замкнутых систем по управлению и возмущению (одноконтурная, каскадная) с проверкой графиков переходных процессов по резонансной частоте:

где Т – период колебания переходного процесса;
ωр – резонансная частота.

Для построения годографов надо вычислим передаточные функции замкнутых систем. Все необходимые вычисления произведем в программе Mathcad.
Передаточные функции замкнутых систем по управлению вычисляем по формуле

Где: – передаточная функция объекта управления;
– передаточная функция регулятора.
Передаточные функции замкнутых систем по возмущению вычисляем по формуле

Где: – передаточная функция объекта управления;
– передаточная функция регулятора.

По полученным передаточным функциям построим годографы частотных характеристик с указанием частот и нахождением резонансной частоты рис. 9.1, 9.2, 9.3, 9.4. Все построения осуществляем в программе Mathcad.

Рисунок 9.1 – АЧХ и годограф одноконтурной системы по управлению

По рисунку 9.1 получим: ωр = 0,0185 рад/с.
Произведем проверку переходного процесса по резонансной частоте:

Расчетное время периода регулирования 339с; по графику переходного процесса 331с. Переходный процесс построенный в Matlab, получен верно.


Рисунок 9.2 – АЧХ и годограф одноконтурной системы по возмущению

По рисунку 9.2 получим: ωр = 0,021 рад/с.
Произведем проверку переходного процесса по резонансной частоте:

 

Расчетное время периода регулирования 299с; по графику переходного процесса 302с. Переходный процесс построенный в Matlab, получен верно.


Рисунок 9.3 – АЧХ и годограф каскадной системы по управлению

По рисунку 9.3 получим: ωр = 0,019 рад/с.
Произведем проверку переходного процесса по резонансной частоте:

 

Расчетное время периода регулирования 330с; по графику переходного процесса 336с. Переходный процесс построенный в Matlab, получен верно.


Рисунок 9.4 – АЧХ и годограф каскадной системы по возмущению

По рисунку 9.4 получим: ωр = 0,0265 рад/с.
Произведем проверку переходного процесса по резонансной частоте:

 

Расчетное время периода регулирования 236с; по графику переходного процесса 231с. Переходный процесс построенный в Matlab, получен верно.

Анализируя полученные графики, можно сделать вывод, что моделируемые замкнутые системы устойчивы и обладают значительным запасом по амплитуде и фазе.
Приведем сводную таблицу показателей качества различных систем регулирования
Таблица 9.1
Сводная таблица показателей качества систем регулирования
Система регулирования Переходный процесс
по управлению по возмущению
Перерегули-рование, % Время
регулирования, с Динамическая ошибка Время регулирования, с
Одноконтурная 56,7 398 1,15 383
Каскадная 42 280 0,207 607
Комбинированная без компенсатора — — 0,47 594
Комбинированная с компенсатором — — 0,2 460
Для наглядности представим отдельные графики переходных процессов в одной системе координат показанные на рисунке 9.5.

Рисунок 9.5 – Графики переходных процессов по возмущению одноконтурной (1), каскадной (2), комбинированной без компенсатора (3) и комбинированной с компенсатором (4) систем управления
Вывод: Из таблицы 9.1 и сравнительных графиков на рис. 9.5 видно, что переходные процессы в каскадно-комбинированной АСР с компенсатором качественнее каскадной и одноконтурной АСР. Поэтому для регулирования выбираем каскадно-комбинированную систему регулирования с компенсатором.

10 Реализация рассчитанной системы регулирования
10.1 Описание рассчитанной системы управления
В дипломном проекте рассчитана одноконтурная система, каскадная система и каскадно-комбинированная система автоматического регулирования, состоящая из следующих каналов: основного – уровень воды в барабане котла, внутреннего – расход питательной воды и канала возмущения – расход пара от котла.
Проанализировав полученные динамические характеристики и качество полученных переходных процессов, к реализации принята каскадно-комбинированная система автоматического регулирования с компенсатором.
Для управления технологическими процессами все большее применение находят средства вычислительной техники. Системы управления из средств вычислительной (обычно микропроцессорной) техники реализуются с помощью программирования.
Технологическое программирование реализуется на программируемых микропроцессорных контроллерах (ПМК). ПМК представляют собой специализированные управляющие устройства, построенные на базе микропроцессорной техники. Они обрабатывают информацию в цифровом виде. Для этого в контроллерах предусмотрено преобразование входной аналоговой информации в цифровую, а затем после ее обработки обратное преобразование из цифровой формы в аналоговую, поступающую на выход. ПМК обладают универсальностью, высокой надежностью, достаточным быстродействием.
Ниже приведена структурная схема управления данным процессом Рис. 10.1:

Рисунок 10.1 - Структурная схема управления
На 1 уровне: располагаются датчики, исполнительные механизмы. Этот уровень необходим для сбора первичной информации о технологическом процессе. Данные устройства располагаются непосредственно на технологическом оборудовании.
На 2 уровне: находится промышленный микропроцессорный контроллер SIMATIC S7-300, включающий в себя устройства связи с объектом, которые соединяются с контроллером по внутренней системной шине. На этом уровне полученные с датчиков сигналы обрабатываются в устройствах связи с объектом и в цифровом виде поступают в контроллер для дальнейшей обработки.
На 3 уровне: АРМ оператора-технолога, на котором установлено специальное программное обеспечение, с его помощью оператор или диспетчер получает информацию о ходе технологического процесса. На этом уровне осуществляется диспетчерское управление и сбор данных от контроллера, их обработка и отображение результатов на АРМ оператора. Производится накопление и архивирование обработанных результатов.
Реализация выполнена на контроллере SIMATIC S7-300 фирмы SIEMENS - это современный компактный многофункциональный микропроцессорный контроллер, построенный по модульному типу, предназначенный для автоматического регулирования и логического управления технологическими процессами.

Отличительные черты:
-Мощные программируемые контроллеры для построения систем управления средней и высокой степени сложности.
-Решение практически любых задач управления.
-Широкий спектр модулей и широкая гамма центральных процессоров для максимальной адаптации к требованиям решаемой задачи.
-Высокая гибкость, обеспечиваемая простотой использования систем распределенного ввода-вывода и мощными коммуникационными возможностями.
-Удобство обслуживания, работа с естественным охлаждением.
-Гибкие возможности расширения по мере развития объекта управления.

Целью реализации является выполнение следующих задач регулирования:
- стабилизация расхода воды в котел, которая будет осуществляться во внутреннем контуре предлагаемой каскадной схемы регулирования.
- коррекция задания внутреннего регулятора в зависимости от изменения уровня в барабане котла.
- компенсация возмущающего воздействия, расхода пара от котла.
Для аппаратной реализации нам понадобятся следующие устройства:
- UR2, универсальная монтажная стойка для базовых блоков и центрального процессора, до 9 модулей на стойку;
- CPU 315 Центральный процессор, рабочая память 1,6 Мбайт (0,8 Мбайт для программ, 0,8 Мбайт для данных) 1й интерфейс: MPI/DP, до 12 Мбит/с. 2й интерфейс: PROFIBUS-DP;
- Карта памяти RAM, 2Мбайт;
- PS 307 10A. Блок питания 120/230В постоянного или переменного тока, выход 5В/10А., является источником питания для центрального процессора;
- SITOP POWER 20. Стабилизированный источник питания вход: 120/230В АС. выход: 24В/20А DC, является источником питания для модулей ввода/вывода;
- IM360-2. Интерфейсный модуль. Предназначен для передачи данных между контроллером и ПЭВМ по интерфейсу ETHERNET.
- SM331 AI8. Модуль ввода аналоговых сигналов, оптоэлектронное разделение внешних и внутренних цепей, имеет 8 каналов ввода аналоговых сигналов тока/напряжения;
- SM332 AO8. Модуль вывода аналоговых сигналов, оптоэлектронное разделение внешних и внутренних цепей, имеет 8 каналов вывода аналоговых сигналов тока/напряжения;
- Стандартный кабель ETHERNET, необходим для связи рабочей станции с SIMATIC S7-300;
- Рабочая станция TOWER, P4 1,3 ГГц, 512 RDRAM, графика 32Мбайт, 48Х CDROM, 1,44B FD, 30 Гбайт HD, 2 последовательных интерфейса, встроенное аудио, клавиатура, оптическая мышь, цветной монитор 21`, коммуникационный процессор СР 5613 PCI – карта для подключения к PROFIBUS, с драйвером для WINDOWS NT4.0, 2000 PRO, DP-RAM интерфейс для DP-мастер.
Для программной части реализации необходима операционная система WINDOWS NT4.0 WS, программный пакет PCS7 V5.2 для программирования контроллера, базовое программное обеспечение рабочей станции WinCC (Windows Control Center). WinCC – это система оперативного управления и визуализации с объектно-ориентированной архитектурой, которая базируется на операционной системе Microsoft Windows NT.
Аппаратная реализация представлена наглядно следующей структурной схемой Рис. 10.2:

Рисунок 10.2 - Аппаратная реализация
Программную реализацию каскадно-комбинированную САР с компенсатором, выполним в пакете PCS7 V5.2, предназначенного для программирования контроллеров SIMATIC. В данном пакете для составления программы воспользуемся CFC логикой. А также задействуем целый ряд библиотек алгоритмов, реализующих различные функции.
Из стандартной библиотеке алгоритмов нам понадобятся следующие блоки:
1. Блок микроаналогового входа AI FB10, Рис. 10.3.

Рисунок 10.3 - Блок микроаналогового входа
Данный блок предназначен для пересчета входных значений технологических параметров в проценты. Входом данного блока является “CH” “код сигнала”, “CH_HI” и “CH_LO” – верхняя и нижняя граница диапазона, “T_FLT” – время фильтра, “IN_PV” – подстановочное значение, IN_PV_ON – использование подстановочного значения. Выходом данного блока является “PV“– значение сигнала 0-100%, “QBAD” – неисправность датчика. Также данный блок предусматривает контроль срабатывания предупредительной нижней и верхней границы.
2. Блок для непрерывного регулирования “Continuous PID controller” SFB 41 – CONT_C, Рис. 10.4.

Рисунок 10.4 - Блок непрерывного регулирования
Данный блок реализует готовый ПИД-регулятор с непрерывным выводом управляющего воздействия и возможностью ручного управления. ПИД-алгоритм работает как настраиваемый алгоритм. Пропорциональная, интегральная INT и дифференциальная DIF части включены параллельно и могут включаться и выключаться по отдельности. Благодаря этому можно установить с помощью параметризации П-, ПИ-, ПД- и ПИД-регулятор. Но возможны также чистый И-регулятор или чистый Д-регулятор.
Для того чтобы получить ПИ-регулятор, дифференциальная составляющая должна быть отключена, т.е. начальная величина “D_SEL” должна быть установлен “FALSE”, что означает «Отключение дифференциальной составляющей» и соответственно параметр TV=T#0ms. Входное значение регулятора подается на вход “PV_IN”, задание на регулятор подается на вход “SP_INT”. “TM_LAG” -время запаздывания воздействия по производной.
В автоматическом режиме на выходе ПИД-алгоритма сигнал ограничивается диапазоном от “LMN_LLM” до “LMN_HLM”. В ручном режиме работы управляющее воздействие определяется оператором со станции управления через вход “MAN_ON”- включение ручного режима, если вход «Включение ручного режима» установлен и равен 1, то контур регулирования разорван. В качестве управляющего воздействия устанавливается значение, заданное вручную, а ограничение реализуются посредством диапазона “MAN_HLM”– “MAN_LLM”.
Для подачи возмущающего воздействия на регулятор, задействуется вход “DISV”
Выходным значением регулятора является выход “LMN”, однако если необходимо сразу передать сигнал управления на выходной модуль контроллера используют выход “LMN_PER”.
Блок схема регулятора представлена на Рис. 10.5
Передаточная функция регулятора имеет следующий вид:

где: LMN – управляющее воздействие;
GAIN - коэффициент усиления регулятора;
TN – время интегрирования;
TV – время дифференцирования;
ER - рассогласование;
DISV- возмущение.



Рисунок 10.5 - Блок схема регулятора
3. Блок дифференцирования “DERIVATIVE” SFB 88 –DERV, Рис.10.6.

Рисунок 10.6 - Блок дифференцирования
Данный блок реализует реальное дифференцирующее звено и используется в качестве компенсатора каскадно-комбинированной САР. Настроечными параметрами данного блока является коэффициент усиления “GAIN” и время дифференцирования “TD”. Входом компенсатора является “PV_IN”. Выходом компенсатора является “LMN”
Передаточная функция компенсатора имеет следующий вид:

где: LMN – выход компенсатора;
GAIN - коэффициент усиления;
TD – время дифференцирования;
PV_IN – входное значение.
10.2 Программная реализация каскадно-комбинированной САР
Программная реализация представлена на Рис. 10.7:
Кодовый сигнал с сигнального модуля SM331 (уровень в барабане котла) - IW2, поступает на вход “CH” микроаналогового входа “L_1”, где происходит пересчет сигнала в проценты и выдает действительное значение измеряемой величины. С выхода “PV” сигнал идет на дальнейшую обработку и на вход основного регулятора Р2 “PV_IN”. Задание в регулятор Р2 записывается на вход “SP_INT”. В данном проекте мы используем ПИ регулятор, следовательно, значения Кп и Ти записываем на входа “GAIN” и “TN” соответственно, при этом дифференциальная составляющая должна быть отключена, т.е. начальная величина “D_SEL” должна быть установлен “FALSE”, что означает «Отключение дифференциальной составляющей» и соответственно параметр TV=T#0ms. С выхода “LMN” управляющий сигнал поступает на задание внутреннего регулятора Р1-“SP_INT”.
Кодовый сигнал с сигнального модуля SM331 (расход воды на котел) IW1 поступает на вход “CH” микроаналогового входа “ F_1”, где происходит пересчет сигнала в проценты и выдает действительное значение измеряемой величины. С выхода “PV” сигнал идет на дальнейшую обработку и на вход внутреннего регулятора Р1 “PV_IN”. Аналогично основному регулятору, мы используем ПИ-закон регулирования, следовательно, значения Кп и Ти записываем на входа “GAIN” и “TN” соответственно, при этом дифференциальная составляющая должна быть отключена, т.е. начальная величина “D_SEL” должна быть установлен “FALSE”, что означает «Отключение дифференциальной составляющей» и соответственно параметр TV=T#0ms.
Управляющее воздействие регулятора Р1 с выхода “LMN_PER” поступает непосредственно на сигнальный модуль аналоговых выходов SM332 с адресом QW1 (ИМ расхода воды).
Кодовый сигнал с сигнального модуля SM331 (расход пара от котла)- IW3, поступает на вход “CH” микроаналогового входа “F_2”, где происходит пересчет сигнала в проценты и выдает действительное значение измеряемой величины. С выхода “PV” сигнал идет на дальнейшую обработку и на вход, блока дифференцирования DERV – “PV_IN”.Значения коэффициент усиления и время дифференцирования, задаем на входа “GAIN” и “TD” соответственно. Выход компенсатора “LMN” поступает на вход “возмущения” основного регулятора Р2 - “DISV”.


Рисунок 10.7 - Программная реализация
Схема аппаратной реализации представлена на отдельном формате А1.
Расход воды на котел Поз. 30а измеряется вихревым преобразователем расхода Rosemount 8800D. Сигнал от расходомера поступает на 1 вход сигнального модуля SM331 AI 8, где происходит преобразование токового сигнала в цифровой, который по внутренней шине поступает в центральный процессор CPU для дальнейшей обработки.
Измерение уровня в барабане котла Поз. 29а осуществляется при помощи преобразователя перепада давления Fisher Rosemount 3051CD. Выходной сигнал с преобразователя 4-20 мА поступает на 2 вход сигнального модуля SM331 AI 8, где происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой, который по внутренней шине поступает в центральный процессор CPU для дальнейшей обработки.
Измерение расхода пара от котля Поз. 26а происходит преобразователем расхода Rosemount 8800D. Выходной сигнал преобразователя 4-20 мА, поступает на 3 вход сигнального модуля SM331 AI 8, где происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой, который по внутренней шине поступает в центральный процессор CPU для дальнейшей обработки.
Выход с внутреннего регулятора Р1 по внутренней шине поступает в сигнальный модуль аналоговых выходов SM332 AO с адресом QW1,где происходит преобразование цифрового сигнала в аналоговый 4-20 мА. Далее сигнал с модуля поступает на вход интеллектуального исполнительного механизма МЭО-250/25-0,25А-06К У, который в свою очередь перемещает регулирующий орган Поз. 29в на трубопроводе расхода воды на котел, и тем самым изменяя расход воды на котел.
Для передачи данных с контроллера на верхний уровень – ПЭВМ, используется канал связи ETHERNET. Для этого на ПВЭМ устанавливаем сетевую плату с коммуникационным процессором СР 5613.
На ПЭВМ устанавливается SCADA система WinCC (Windows Control Center). WinCC – это современная система с привлекательной панелью управления, открытая для мира делопроизводства и производства продукции, зрелая и надежная в работе, эффективно проектируемая, масштабируемая для простых и сложных задач и при этом легко встраиваемая в приложения для широкого класса предприятий вплоть до встраивания в MES- и ERP-решения.
10.3 Описание схемы сигнализации и блокировок
Как и любой объект повышенной опасности, котельная установка оборудована технологической сигнализацией и блокировкой. Сигнализация служит для извещения обслуживающего персонала об аварийном отключении оборудования или выходе за пределы определённых параметров процесса. Блокировка предназначена для предупреждения аварийной ситуации при отклонении от предельно допустимых значениях.
Параметры сигнализации и блокировки были выбраны в Разделе 3.
Таблица 10.1
Сигнализируемые параметры
Параметр Ед.
Изм. Значение
Нижняя граница Верхняя
граница
Давление газа после заслонки кПа 1,5 2,4
Давление мазута на котел кгс/см2 - 10
Температура подшипников вентилятора ˚С - 50
Разряжение в топке котла кПа - -0,01
Температура подшипников дымососа ˚С - 50
Давление воздуха на горение кПа 1,4 -
Уровень воды в барабане котла мм. вод. стол. -30 +30
Давление пара в барабане котла кгс/см2 - 11
Расход воды в барабан котла т/ч 5 -

Таблица 10.2
Блокировочные параметры
Параметр Ед.
Изм. Значение
Нижняя граница Верхняя
граница
Давление газа после заслонки кПа 1,2 2,7
Давление мазута на котел кгс/см2 - 12
Разряжение в топке котла кПа - 0
Давление воздуха на горение кПа 1,2 -
Уровень воды в барабане котла мм. вод. стол. -50 +50
Давление пара в барабане котла кгс/см2 - 12
Погасание факелов горелок Дискретные сигналы
Неисправности цепей защиты
Останов дымососа
Останов вентилятора

Сигнализация и блокировка параметров процесса производства пара реализована программно и выводится на монитор оператора. На мониторе в программной среде WinCC отображается мнемосхема. На мнемосхеме графически отображаются аппараты, а также производится индикация технологических параметров в масштабе реального времени.
Для каждого технологического параметра, подлежащего сигнализации, в блоке микроаналогового входа AI FB1 есть возможность задания уставок по нижнему и верхнему фронту рис.10.3.
На рис. 10.8 представлена таблица значении микроаналогового блока для уставок сигнализации. Таким образом, чтобы реализовать сигнализацию необходимо записать на вход каждого блока AI FB1 для каждого технологического параметра, следующие предельные значения:
“ALM_HI”- верхняя граница срабатывания сигнализации;
“ALM_LO”- нижняя граница срабатывания сигнализации.
При превышении данных границ сигнализации, на выходе блока вырабатываются следующие дискретные сигналы:
“QALM_HI”- выше верхней аварийной границы;
“QALM_LO”- ниже нижней аварийной границы.

Рисунок 10.8 - Таблица микроаналогового блока
Выходные сигналы с микроаналогового блока обрабатываются в программной среде WinCC и отображаются на мнемосхеме, при этом изменяет цвет технологического параметра, меняется цвет технологического оборудования, а также выводится сообщение о нарушении данного параметра.
Каждому технологическому параметру в WinCC присваивается “паспорт прибора”, где непосредственно есть возможность изменения уставок сигнализации, либо отключения сигнализации.
Каждый технологический параметр, подлежащий блокировке записывается на вход блока OR (логическое сложение). При отклонении одного параметра от предельно допустимых значениях изменяется статус входного сигнала, и выходной сигнал идет на останов парового котла.
Программная реализация сигнализации и блокировок представлена на Рис. 10.9, 10.10, 10.11:

Рисунок 10.9 - Схема сигнализации

Рисунок 10.10 - Схема сигнализации

Рисунок 10.11 - Схема блокировок

11 Монтаж средств автоматизации
Высокие требования к качеству монтажа, сжатые сроки производства монтажных работ и их непрерывно возрастающий объем привели к необходимости поиска новых форм организации труда и технологических методов, применения новых унифицированных конструкций и новых, более экономичных, материалов.
Монтаж средств контроля и автоматики на предприятиях химической промышленности ведут на основании технической документации, выполненной проектными организациями, согласно требованиям СНиП. Состав и содержание технической документации определяются указаниями по проектированию автоматизации производственных процессов.
Монтажные чертежи являются основным документом для проведения монтажных работ, которые выполняются на основании схем автоматизации данного участка производства, принципиальной схемы питания и сигнализации, схемы внешних электрических и трубных проводок, общих видов щитов и пультов. [3]
Общие требования при монтаже
Средства автоматизации монтируются в соответствии с проектом. Места и взаимное расположение средств автоматизации должны обеспечивать наибольшую точность измерений, свободный доступ к ним и их запорным и настроечным устройствам, хорошую освещенность шкал и диаграмм и удобство их обслуживания.
В производственных и щитовых помещениях до начала монтажа средств автоматизации должны быть закончены все строительные и отделочные работы, монтаж и изоляция технологического оборудования, а также монтаж трубных и электрических проводок, щитов и пультов. Приборы, подлежащие теплоизоляции вместе с технологическими трубопроводами и оборудованием, а также приборы, врезаемые в технологические трубопроводы и аппараты, монтируются вместе с ними. Эти приборы устанавливаются после очистки и продувки технологических трубопроводов перед их опрессовкой.
Средства автоматизации, имеющие вращающиеся и движущиеся части, устанавливают по уровню или отвесу, если их конструкция не предусматривает другого способа установки. Крепление средств автоматизации на трубопроводах и технологическом оборудовании должно обеспечивать герметичность этих трубопроводов и аппаратов. Технологические трубопроводы, на которых монтируются сужающие устройства, регулирующие клапаны, объемные и скоростные счетчики и т.п., должны иметь опоры вблизи этих приборов. Прокладки и набивки, применяемые при установке средств автоматизации, должны соответствовать условиям их работы. [3]
Монтаж кабельных и трубных трасс
Электрические проводки прокладываются по наиболее кратчайшим расстояниям между соединяемым приборами и агрегатами, в местах, доступных для монтажа, обслуживания и ремонта, с минимальным количеством поворотов, в местах без резких колебаний температуры окружающего воздуха, дальше от мест, где возможны сотрясения, вибрации или механические повреждения кабелей или защитных устройств. Защитные устройства открытых и скрытых электрических проводок выполняются из негорючих, влагостойких, механически прочных материалов.
В зависимости от сечения жил проводов и кабелей установлены определенные требования к присоединению проводников к приборам, аппаратам, зажимам, а также соединению проводников между собой. От качества выполнения указанных соединений во многом зависит надежность электрических проводок и их пожарная безопасность.
Прокладка трубных проводок – одна из наиболее трудоемких и ответственных операций, от качества выполнения которой зависят правильность работы и надежность эксплуатации системы.
Трубная проводка должна представлять собой непрерывную и механически прочную линию. Недостаточная плотность проводки при передаче импульса давления приводит к заниженным показаниям приборов. Трубные проводки должны обеспечивать свободное прохождение импульса с наименьшим запаздыванием.
Способ монтажа, испытаний и приемки трубных проводок определяется категорией, к которой относятся конкретные трубные проводки. Прокладку трубных проводок выполнять по кратчайшим расстояниям от отборных и приемных устройств до измерительных преобразователей и приборов параллельно стенам, перекрытиям, колоннам и т.п. Трубные проводки прокладывать с минимальным числом поворотов и пересечений в местах, легко доступных для монтажа и обслуживания, без резких колебаний температуры окружающей среды, не подверженных вибрациям и механическим повреждениям.
Проводки из металлических труб независимо от назначения прокладывают на расстоянии 25…30 мм от стен, перекрытий и других элементов зданий. Однако одиночные медные и стальные трубы (кроме труб из нержавеющей стали) в виде исключения могут быть расположены непосредственно на стальных, бетонных или кирпичных основаниях и прикреплены к ним стальными крепежными деталями.
Однопроволочные медные жилы проводов и кабелей сечением 1 мм2, присоединять непосредственно под винт или болт, а многопроволочные провода этих же сечений – с помощью наконечников или непосредственно под винт или болт. При этом жилы однопроволочных или многопроволочных проводов и кабелей в зависимости от конструкции выводов и зажимов приборов, аппаратов и сборок зажимов оконцовывать кольцом или штырем; концы многопроволочных жил (кольца, штыри) пропаять, штыревые концы можно опрессовывать штифтовыми наконечниками.
Выбираем для внешней проводки кабель типа КВВГ – контрольный кабель с медными жилами, изоляция и оболочка из поливинилхлоридного пластика. Число жил – 4, сечением 0,75 мм2.
Способ выполнения электропроводок, марка кабелей и проводов, способы соединений жил, тип соединительных проводов и т.д. в проекте определены из экономических соображений с учетом особенностей объекта автоматизации (взрывоопасности, пожароопасности, агрессивности исходных и получаемых веществ).
Все аналоговые и дискретные сигналы заводятся в кросс-шкаф, а оттуда разводятся на контроллер и устройства регистрации и сигнализации. Выходные сигналы с контроллера SIMATIC S7-300 также заводятся в кросс-шкаф, откуда идут на преобразователи и далее на исполнительные устройства. [3]
Монтаж датчиков давления Vegabar
Датчики давления VEGABAR могут монтироваться в любом положении как непосредственно на трубопроводе, так и на специальных выносных стойках. Для того чтобы предотвратить попадание влаги, соединение кабеля должно быть внизу. Для этой цели корпус может поворачиваться на 330º по отношению к закрепленной части.
При монтаже должно применяться одно из уплотнений соответствующее установке. У приборов измеряющих избыточное давление, атмосферное давление компенсируется с помощь устройства выравнивания давления, встроенного в корпус.
Электроника датчика нуждается в питающем напряжении 12…36 В. Подключение выполняется по двухпроводной схеме, т.е. питающее напряжение и токовый сигнал передаются через один двужильный кабель, подключенный к клеммам 1 и 2. [12]

Монтаж датчиков перепада давления Fisher-Rosemount 3051CD
Датчик модели 3051 весит 2,5 кг. Дополнительные монтажные кронштейны, которые поставляются по заказу, облегчают крепление датчика на панели, на стене или на 2-дюймовой трубе.
Для облегчения доступа к отсекам корпуса датчика и для обеспечения более удобного положения дополнительного ЖК-индикатора, можно повернуть корпус на угол 180º по отношению к закрепленной части. При большем повороте можно повредить провода электрического соединения модуля сенсора с электронным модулем.
При измерении расхода жидкости:
Врезки в линию должны располагаться сбоку для предотвращения накопления осадка на изолирующей мембране датчика.
Следует монтировать датчик на уровне или ниже уровня врезок – это позволит избежать накопления захваченного жидкостью газа, который при правильной ориентации датчика, будет выводиться в технологичекую линию.
Вентиляционный/дренажный клапан должен быть ориентирован вверх для обеспечения возможности выпуска накопленного газа.
При измерении разрежения:
Врезки в линию должны располагаться сбоку.
Следует монтировать датчик на уровне или выше уровня врезок – это позволит избежать накопления конденсата, который при правильной ориентации датчика, будет выводиться в технологическую линию.
При измерении уровня воды в барабане:
Для измерения уровня следует использовать уравнительный сосуд с двумя камерами, в которых создается перепад давления.
Сосуд соединяют с отборами датчика так, чтобы плюсовая полость датчика соединялась с основной камерой, а минусовая - с внутренней камерой сосуда. Во внутренней камере поддерживается постоянное давление, а в основной меняется в зависимости от изменения уровня. Ровень в основной камере поддерживается постоянным за счет постоянного конденсирования пара. Следствием такого соединения получается, что датчик должен быть с «обратной» шкалой, т.е. выдавать сигнал 20…4 мА. Таким образом, конструкция уравнительного сосуда обеспечивает равенство температур столбов жидкости обеих камер; при этом исключается возможность температурной погрешности в показания датчика. На соединительных линиях уравнительного сосуда устанавливают запорные вентили, при установке которых необходимо следить за тем, чтобы их штоки располагались горизонтально, для исключения образования воздушных пробок и, соответственно, пульсаций в соединительных линиях, сосуде и приборе.
Соединительные трубки от места отбора к преобразователю должны быть проложены по кратчайшему расстоянию. Соединительные линии должны иметь односторонний уклон не менее 1:10 от места отбора вниз к преобразователю. Для продувки соединительных линий должны предусматриваться дренажные вентиля.
Присоединение преобразователя к соединительным линиям осуществляется с помощью предварительно приваренных к трубкам линий ниппелей.
Монтаж термоэлектрических преобразователей
Термометры сопротивления устанавливаются по типовому чертежу и инструкции по эксплуатации. Соединение термометров сопротивления с контроллером осуществляется кабелем КВВГ 4х1,0. Перед монтажом проверяют целостность чувствительного элемента и сопротивление изоляции по отношению к защитной арматуре. Последнее должно быть не менее 20 Мом.
Термопреобразователи сопротивления, предназначенные для измерения температуры в технологических аппаратах и трубопроводах, устанавливают в бобышках, внутренняя резьба которых должна быть равна наружной резьбе присоединительного штуцера термопреобразователя. Штуцер может быть подвижным или неподвижным.
Чувствительный элемент термопреобразователя сопротивления находится в конце защитного чехла. Устанавливают его так, чтобы середина чувствительного элемента находилась как можно ближе к точке измерения, а измеряемая им температура не зависела от температуры находящихся вблизи поверхностей. При установке на колене трубопровода чувствительный элемент должен быть направлен навстречу потоку и расположен в центре потока измеряемой среды. Во избежание засасывания наружного воздуха в месте отбора импульса тщательно вваривают бобышку и уплотняют в ней штуцер термопреобразователя.
При установке термопреобразователя в горизонтальном или наклонном положении штуцер для ввода проводов в головку термопреобразователя направляют вниз, чтобы на соединительные зажимы не попадала влага.
Конец погружаемой части термометра сопротивления должен размещаться на 25-30 мм ниже оси измеряемого потока.
Устранение дефектов, замена, присоединение и отсоединение термопреобразователей от магистралей, подводящих измеряемую среду, находящуюся под давлением, следует производить при отсутствии давления в магистралях.
Монтаж термометра должен выполняться с учетом уменьшения утечки и притока тепла извне к чувствительному элементу.
Подвод проводов к термопреобразователям осуществляется в металлорукавах РЗ-Ц-Х-DУ15 длиной 2м.

Рисунок 11.1 - Схема установки термометров сопротивления
Монтаж исполнительных механизмов
Исполнительные механизмы МЭО-250/25-0,25А-06КУ, устанавливаются с горизонтальным расположением входного вала. Допускается расположение вала наклонно под углом 150 к горизонтали. Прежде чем приступить к монтажу, необходимо осмотреть механизм и убедиться в отсутствии внешних повреждений. Крепление механизмов производится четырьмя болтами. Необходимо предусмотреть место для обслуживания механизмов со стороны датчика и ручного привода. Электрическое подключение механизмов производится через штуцерный ввод. Для этого необходимо снять крышку, гайку, заглушку и резиновое кольцо штуцерного ввода, затем пропустить провод через резиновое уплотнительное кольцо и все в сборе установить в гнездо штуцерного ввода. Подсоединить провода к зажимам, установить крышку на место. При этом обратить внимание на количество всех крепежных элементов и их равномерную затяжку. Место присоединения заземляющего проводника должно быть тщательно зачищено и предохранено после присоединения заземляющего проводника от коррозии путем нанесения консистентной смазки. По окончании монтажа следует проверить сопротивление изоляции, которое должно быть не менее 20 Ом.
Все аналоговые и дискретные сигналы от преобразователей заводятся в шкаф промежуточных клеммников, которые осуществляют первичную защиту модулей ввода/вывода от аварийных ситуаций в “поле”.
Дискретные выходы контроллера осуществляют включение промежуточных реле, которые питаются от поставляемого вместе с контроллером источника питания SP125 3DC. В случае управления электрическим исполнительным механизмом МЭО, контакты двух промежуточных реле включают реверсивный бесконтактный пускатель ПБР-2А в том или другом направлении. Пускатели располагаются на щите вспомогательной автоматике ЩВА-2 и соединяются с промежуточными реле кабелем КВВГ 4х1.
Управление исполнительным механизмом МЭО осуществляется по кабелю КВВГ 10х1.
Унифицированные токовые сигналы 4-20мА от датчиков преобразуются в сигнал 1-5В непосредственно перед входом в универсальный модуль аналогового входа резисторами с сопротивлением 250 Ом.
Прокладка трубных проводок осуществляется по кратчайшим расстояниям между отборными устройствами и первичными преобразователями.
Для экономии кабеля, используются коробки соединительные КСП10, устанавливаемые вблизи от расположения датчиком и исполнительных механизмов.
Для электрической проводки унифицированных сигналов используется контрольный кабель КВВГЭ - с медными жилами, изоляция из поливинилхлоридного пластиката, общий экран из алюминиевой фольги, оболочка из поливинилхлоридного пластиката. Сечение жил выбирается по допустимым токовым нагрузкам, потере напряжения и механической прочности.
Вдоль кабельных трасс устанавливаются опорные конструкции. Расстояние между ними не менее 1 м. Кабели укладываются по опорным конструкциям в один ряд с некоторой слабиной, чтобы обеспечить компенсацию температурного сжатия. Расстояние по вертикали между полками не менее 1м. Сверху над опорной конструкцией установлен козырек, который защищает кабель от внешних воздействий.
Способ выполнения электропроводок, марка кабелей и проводов, способы соединения жил и т. д. в проекте определены из экономических соображений с учетом особенностей объекта автоматизации (взрывоопасности, пожароопасности, свойств обрабатываемых веществ). Монтаж кабелей производится в соответствии со схемой внешних проводок, плана трасс, схемой питания и монтажно-коммутационной схемой. [11]
Монтаж контроллера SIMATIC S7-300
Контроллер должен устанавливаться в закрытом взрыво- и пожаробезопасном помещении, которое удовлетворяет следующим условиям:
температура окружающего воздуха 0 до 60 С;
влажность от 5 до 95% без конденсата;
атмосферное давление от 84 до 106,7 КПа;
окружающая среда не должна содержать агрессивных паров и газов.
Все модули устанавливаются на профильную шину DIN и фиксируются в рабочих положениях винтом. Объединение модулей в единую систему выполняется с помощью шинных соединителей (входят в комплект поставки каждого модуля), устанавливаемых на тыльную часть корпуса.
Возможен произвольный порядок размещения модулей в монтажных стойках. Фиксированные посадочные места должны занимать только блоки питания, центральные процессоры и интерфейсные модули.
Наличие съемных фронтальных соединителей, позволяющих производить быструю замену модулей без демонтажа их внешних цепей и упрощающих выполнение операций подключения внешних цепей модулей. Механическое кодирование фронтальных соединителей исключает возможность возникновения ошибок при замене модулей.
Применение модульных и гибких соединителей TOP Connect, существенно упрощающих выполнение монтажных работ и снижающих время их выполнения.
12 Расчет регулирующего органа поз. 29в на подаче питательной воды в котел
В данном разделе производится расчет регулирующего органа на трубопроводе подачи питательной воды в котел, на основании которого выбирается его тип и марка.
Исходные данные:
 регулируемая среда - вода;
 минимальный расход - Qmin = 10 м3/ч;
 максимальный расход - Qmax = 25 м3/ч;
 давление в начале регулируемого участка - P0 = 1,05 МПа;
 давление в конце регулируемого участка - Рк =0,98 МПа;
 температура воды - Т = 98 0С;
 внутренний диаметр трубопровода - D = 80 мм;
 плотность воды - ρ = 990 кг/м3=0,99 г/см3;
 динамическая вязкость воды - μ = 0,028•10-3 кг/ч∙м2.
Трубопровод имеет 4 поворота под углом 90° с радиусом изгиба 0,7 м.
На трубопроводе расположена запорная задвижка.
Расходная характеристика регулирующего органа должна быть линейной.

 

Рисунок 12.1 – Расчетная схема
Расчет регулирующего органа
Определяем гидростатический напор, соответствующий разнице уровней:
ΔPГ=Δhgρ=1,5м*990кг/м3*10м/с2=0,01485МПа
Определим потери давления в сети:
Δрсети=р0-рк± ΔPГ=1,05-0,98+0,01485=0,08485МПа
где ΔPГ – гидростатический напор, соответствующий разности уровней верхней и нижней отметок трубопровода, знак «+» означает, что источник напора находится на верхней отметке.
Определим число Рейнольдса, определяющее режим движения потока при максимальном расходе:

где: Gmax – максимальный массовый расход, кг/ч

Так как ReD>2320, следовательно расчёт продолжаем для турбулентного потока жидкости.
Определим условие гидравлической гладкости трубопровода:

где: n1 – шероховатость трубопровода.
Неравенство не выполняется, значит трубопровод не является гидравлически гладким и коэффициент сопротивления трения находим по монограмме - λ=0,039.
Считаем суммарную длину трубопровода:
L = 0,8+0,65+0,68+0,5+0,850+2,1+ 4(2π/4)*0,7 = 9,97 м.
Находим среднюю скорость потока при максимальном расходе:

Определим потери давления в местных сопротивлениях трубопровода:
∆Рм=(ξвх+ ξвх+4 ξ90+ 2ξзад)∙ρ∙V2/2
Тогда

Определим потери давления на прямых участках трубопровода при расчетном максимальном расходе:


Определим потери давления в линии:

Определение перепада давления на регулирующем органе при Qmax:

Таким образом перепад на регулирующем органе почти постоянный и на него не влияют .
Относительный перепад давления на регулирующем органе:

Определим максимальную пропускную способность РО:

где: Gmax – максимальный массовый расход, кг/ч

Предварительно выбираем РО заслоночного типа с условной пропускной способностью Кdy = 50 м3/ч и диаметром условного прохода Dy = 65 мм.
Так как ReD =0,399•106 > 2000 , то влияние вязкости на расход не учитываем.
Так как диаметр выбранного РО меньше, чем трубопровода, необходимо учесть влияние переходных патрубков, для этого:
Определим произведение

Определим отношения


Поправка на влияние переходных патрубков
Следовательно уточненный Kdyy:

Примем регулирующий орган, имеющий Kdyy = 80 м3 /ч и Dy=80мм.
Определим отношение перепада давления в линии к перепаду давления на РО при максимальном расходе:

Так, как n<1,5, то рекомендуется линейная характеристика.
Определим значение максимального расхода через РО:

Проверка рабочих диапазонов регулирующего органа
Определяем относительные значения расходов:
mmax = Qmax / Q'max = 25 / 38 = 0,65;
mmin = Qmin / Q'max = 10 / 38 = 0,28
Определяем диапазон перемещений затвора регулирующего органа с линейной характеристикой при n=1,13:
ΔS=0,65 – 0,28=0,37
Выбирая тип регулирующего органа, отметим, что основным преимуществом двухседельного регулирующего клапана является в значительной мере разгруженность затвора от одностороннего действия силы, создаваемой динамическим давлением среды. Некоторая неуравновешенность усилий объясняется тем, что по условиям сборки диаметр прохода верхнего седла делают больше диаметра нижнего седла. Кроме того, в двухседельных регулирующих клапанах имеется возможность изготовления дросселирующих поверхностей различной конфигурации для получения нужной конструктивной и соответственно пропускной характеристик.
Учитывая то, что рабочей средой является вода, целесообразней будет выбрать регулирующий орган клапанного типа, так как нет кристаллизаций и других примесей и вода очищена от механических примесей. На основании проведенных расчетов выбираем регулирующий орган типа двухседельного клапана с линейной пропускной характеристикой, имеющий условную пропускную способность Кvy = 50 м3/ч и диаметром условного прохода Dy = 65 мм.
Клапан регулирующий двухседельный фланцевый под дистанционное управление от МЭО-250/25-0,25А-06КУ, 25с201нж Dy 65
Завод изготовитель ЗАО «АРМАГУС»
Наименование Материал
Корпус, крышка 25Л
Детали затвора 20Х13
Сальниковая набивка Графлекс
Прокладки Паронит ПОН-Б

Вывод: В данной разделе, был выполнен «Расчет регулирующего органа на подаче питательной воды в паровой котел». Исходными данными были параметры регулируемой среды, схема трубопровода, рассчитана гидравлическая цепь, пропускная способность регулирующего органа с учетом сопротивления переходных патрубков. Изучили и выбрали тип регулирующего органа, позволяющий оптимально вести регулирование подачей питательной воды в котел.
13 Разработка системы плавного переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерацией отсеченного Na-катионитового фильтра 2 ступени умягчения воды
В данном разделе разрабатывается система автоматического переключения на регенерацию Na-катионитовых фильтров 2 ступени умягчения воды при превышении заданной щелочности воды и система автоматического управления процессом регенерации отсеченного Na-катионитового фильтра 2 ступени, составляется алгоритм, на основании которого выполняется программная реализация на контроллере SIMATIC S7-300 фирмы SIEMENS. Производится имитационное моделирование алгоритма на основе сетей Петри. Это повысит качество процесса и снизит поступающие возмущения.
13.1 Постановка проблемы
Водно-химический режим должен обеспечивать работу котла и питательного тракта без повреждения их элементов вследствие отложений накипи и шлама, повышения относительной щелочности котловой воды до опасных пределов или в результате коррозии металла.
При большом насыщении котловой воды солями и наличии в ней большого количества шлама во время открытия регулятора происходят явления вспенивания и уноса воды с паром в элементы транспортного трубопровода пара. Это вызывает отложение в элементах труб солей, которые ухудшают теплопередачу, влекут перегрев элементов и их прогорание. Существуют нормы качества котловых вод, которые определяются допустимым предельным содержанием в воде солей, шлама, щелочи и других примесей. При соблюдении этих норм в котле не отлагается накипь и не происходит вспенивание, коррозия металла, котел обеспечивает хорошее парообразование и работает экономично.
Характерным показателем качества воды является щелочность, определяется суммарным содержанием в ней анионов и измеряется в миллиграмм-эквивалентах на литр воды.
В настоящее время щелочность воды подаваемой в барабан котла измеряется лабораторным методом примерно раз в час и при необходимости производится переключение между Na-катионитовыми фильтрами.
При умягчении исходной воды на установках Na-катионирования происходит замена ионов кальция на ионы натрия, при этом общее количество солей до и после умягчения остается постоянным. При испарении воды в котле концентрация солей увеличивается и может достичь критического значения, при котором начинается вспенивание. В результате происходит заброс котловой воды в паропровод, «потеря» уровня и другие отрицательные явления.
Нормативное солесодержание котловой воды дается заводом-изготовителем для котла каждого типа. В нашем случае щелочность котловой воды регламентируется в переделе 20 мг-экв/л.
13.2 Способ решения проблемы
Для того чтобы избавится от данной проблемы, предлагается вести непрерывный контроль щелочности воды, подаваемой в паровой котел датчиком контроля щелочности фирмы “Endress+Hauser” поз. 1а (Рис. 13.1). Это позволить заранее видеть состояние щелочности воды предназначенной для подачи в паровой котел и при достижении щелочности выше 30мг экв/литр, производить плавное переключение работы фильтров с дальнейшем включением на автоматическую регенерацию отсеченного Na-катионитового фильтра 2 ступени умягчения воды.
На этапе поступления воды в паровой котел после катионитовых фильтров второй ступени, для того чтобы избежать скачка уровня при изменении щелочности воды, при изменении фильтрующей установки. Необходимо производить постепенное прекращение подачи воды с Na-кат фильтра 2 ступени №1 регулирующим клапаном Р.К.1, в тоже время постепенное открытие регулирующего клапана Р.К. 2 на выходе подготовленной воды из Na-кат фильтра №2. Конечные выключатели исполнительный механизмов необходимо будет настроить на конечные положения, при которых регулирующий орган будет полностью открыт или закрыт. На входе каждого из фильтров стоят отсекающие клапана. На входе фильтра №1 установлен отсекающий клапан О.К.1.1, на входе фильтра №2 установлен отсекающий клапан О.К. 2.1.

Алгоритм плавного переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерации отсеченного Na-катионитового фильтра следующий.
После фильтров установлен датчик непрерывного измерения щелочности поз. 1а. При нормальной работе фильтров щелочность составляет 20 мг экв/литр. Как только щелочность превысит 30 мг экв/литр, произойдет автоматическое переключение между используемыми фильтрами №1и №2. Алгоритм анализирует состояние клапанов О.К.1.1 и О.К.2.1 и выбирает алгоритм открытия регулирующих клапанов Р.К.1 и Р.К.2. Если открыт клапан О.К.2.1 изначально, значит в работе фильтр №2 и следовательно клапан Р.К.2 открыт на «100%», тогда открывается отсечной клапан О.К.1.1 и происходит открытие регулирующего клапана Р.К.1 в положение «10%». Следующим шагом будет закрытие клапана Р.К.2 в положение «90%». Далее откроется регулирующий клапан Р.К.1 в положение «20%». И так далее пока не произойдет полное закрытие регулирующего клапана Р.К2 и полное открытие клапана Р.К.1. После этого закрывается отсекающий клапан О.К.2.1.
После закрытия отсекающего клапана О.К. 2.1 необходимо произвести автоматическую регенерацию отсеченного Na-катионитового фильтра 2 ступени умягчения воды.
Процесс регенерации Na-катионитового фильтра 2 ступени умягчения воды включает следующие стадии:
 взрыхление катионита;
 регенерация катионита;
 отмывка катионита.

Открывается отсечной клапан О.К. 2.2, после этого открывается отсечной клапан О.К. 2.3, происходит взрыхление катионита в течение 20 минут. По завершению времени происходит закрытие отсечного клапана О.К. 2.3 после его закрытия, закрывается отсечной клапан О.К. 2.2. Процесс взрыхление катионита закончен. Далее начинается процесс регенерации катионита, для этого открывается отсечной клапан О.К. 2.4, после его открытия открывается отсечной клапан О.К. 2.5, происходит регенерации катионита в течение 15 минут. По завершению времени регенерации необходимо промыть катионит для этого закрывается отсечного клапана О.К. 2.5 после его закрытия, открывается отсечной клапан О.К. 2.1. Отмывка катионита будет до тех пор, пока жесткость сливной воды на выходе из фильтра не будет отвечать норме 20 мг-экв/л. Жесткость сливной воды контролируется датчиком контроля щелочности фирмы “Endress+Hauser” поз. 3а (Рис. 13.1). После того как жесткость воды достигла 20 мг-экв/л происходит закрытие отсечного клапана О.К. 2.1 после его закрытия, закрывается отсечной клапан О.К. 2.4. Алгоритм плавного переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерации отсеченного Na-катионитового фильтра.
Если же изначально будет открыт отсекающий клапан О.К.1.1, значит, в работе фильтр №1 и алгоритм будет открывать регулирующий клапан Р.К2 и закрывать Р.К.1 и производить регенерацию фильтра №1 в той же последовательность, что была описана выше.

На рис. 13.2 показан алгоритм плавного переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерации отсеченного Na-катионитового фильтра.

Таблица 13.1
Стадии алгоритма переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерации отсеченного Na-катионитового фильтра
Стадия алгоритма Последовательность операции Содержание операции Условие выполнение операции
Контроль щелочности 1 Анализ щелочности воды Если щелочность более 30 мг экв/л
Безударное переключение между фильтрами №1 и №2 Определение какой из фильтров №1 или №2 в работе 2 Анализ работы фильтров №1 или №2 Если открыт клапан ОК 1.1, то включается алгоритм открытия РК 2

Если открыт клапан ОК 2.1, то включается алгоритм открытия РК 1
Открытие РК
(1 или 2) 3 Открытие ОК 1.1 Если открыт
4 Открытие РК 1 на 10% Если открыт
5 Закрытие РК 2 на 90% Если закрыт
6 Открытие РК 1 на 20% Если открыт
7 Закрытие РК 2 на 80% Если закрыт


 

 


22 Открытие РК 1 на 100% Если открыт
23 Закрытие РК 2 на 0% Если закрыт
24 Закрытие ОК 2.1 Если закрыт
Автоматическая регенерация Na-катионитового фильтра Взрыхление катионита 25 Открытие ОК 2.2 Если открыт
26 Открытие ОК 2.3 Если открыт
27 Выдержка 20 минут Прошло 20 минут
28 Закрытие ОК 2.3 Если закрыт
29 Закрытие ОК 2.2 Если закрыт
Регенерация катионита 30 Открытие ОК 2.4 Если открыт
31 Открытие ОК 2.5 Если открыт
32 Выдержка 15 минут Прошло 15 минут
33 Закрытие ОК 2.5 Если закрыт
Отмывка катионита 34 Открытие ОК 2.1 Если открыт
35 Анализ щелочности воды Если щелочность менее 20 мг экв/л
36 Закрытие ОК 2.1 Если закрыт
37 Закрытие ОК 2.4 Если закрыт

Рисунок 13.1 - Схема фильтров

Рисунок 13.2 - Алгоритм плавного переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерации отсеченного Na-катионитового фильтра
Реализацию алгоритма произведем на контроллере SIMATIC S7-300 рис. 13.3.
Таблица 13.2
Таблица символов программной реализации
Символ Адрес Тип данных Комментарий
OK11_O I 1.0 BOOL Отсекающий клапан ОК 1.1 ОТКРЫТ
OK11_Z I 1.1 BOOL Отсекающий клапан ОК 1.1 ЗАКРЫТ
OK12_O I 1.2 BOOL Отсекающий клапан ОК 1.2 ОТКРЫТ
OK12_Z I 1.3 BOOL Отсекающий клапан ОК 1.2 ЗАКРЫТ
OK13_O I 1.4 BOOL Отсекающий клапан ОК 1.3 ОТКРЫТ
OK13_Z I 1.5 BOOL Отсекающий клапан ОК 1.3 ЗАКРЫТ
OK14_O I 1.6 BOOL Отсекающий клапан ОК 1.4 ОТКРЫТ
OK14_Z I 1.7 BOOL Отсекающий клапан ОК 1.4 ЗАКРЫТ
OK15_O I 2.0 BOOL Отсекающий клапан ОК 1.5 ОТКРЫТ
OK15_Z I 2.1 BOOL Отсекающий клапан ОК 1.5 ЗАКРЫТ
OK21_O I 2.2 BOOL Отсекающий клапан ОК 2.1 ОТКРЫТ
OK21_Z I 2.3 BOOL Отсекающий клапан ОК 2.1 ЗАКРЫТ
OK22_O I 2.4 BOOL Отсекающий клапан ОК 2.2 ОТКРЫТ
OK22_Z I 2.5 BOOL Отсекающий клапан ОК 2.2 ЗАКРЫТ
OK23_O I 2.6 BOOL Отсекающий клапан ОК 2.3 ОТКРЫТ
OK23_Z I 2.7 BOOL Отсекающий клапан ОК 2.3 ЗАКРЫТ
OK24_O I 3.1 BOOL Отсекающий клапан ОК 2.4 ОТКРЫТ
OK24_Z I 3.2 BOOL Отсекающий клапан ОК 2.4 ЗАКРЫТ
OK25_O I 3.3 BOOL Отсекающий клапан ОК 2.5 ОТКРЫТ
OK25_Z I 3.4 BOOL Отсекающий клапан ОК 2.5 ЗАКРЫТ
RK1_O I 3.5 BOOL РК 1 ОТКРЫТ на 100%
RK1_Z I 3.6 BOOL РК 1 ЗАКРЫТ на 0%
RK2_O I 3.7 BOOL РК 2 ОТКРЫТ на 100%
RK2_Z I 4.0 BOOL РК 2 ЗАКРЫТ на 0%
Q1 PIW 4 WORD Щелочность умягченной воды на деаэратор
Q2 PIW 5 WORD Щелочность воды с фильтра №1
Q3 PIW 6 WORD Щелочность воды с фильтра №2
Q_RK1 PQW 2 WORD Управление РК1
Q_RK2 PQW 3 WORD Управление РК2
Q_OK11_O Q 1.0 BOOL Открытие Отсекающего клапана ОК 1.1
Q_OK12_O Q 1.1 BOOL Открытие Отсекающего клапана ОК 1.2
Q_OK13_O Q 1.2 BOOL Открытие Отсекающего клапана ОК 1.3
Q_OK14_O Q 1.3 BOOL Открытие Отсекающего клапана ОК 1.4
Q_OK15_O Q 1.4 BOOL Открытие Отсекающего клапана ОК 1.5
Q_OK21_O Q 1.5 BOOL Открытие Отсекающего клапана ОК 2.1
Q_OK22_O Q 1.6 BOOL Открытие Отсекающего клапана ОК 2.2
Q_OK23_O Q 1.7 BOOL Открытие Отсекающего клапана ОК 2.3
Q_OK24_O Q 2.1 BOOL Открытие Отсекающего клапана ОК 2.4
Q_OK25_O Q 2.2 BOOL Открытие Отсекающего клапана ОК 2.5
Q_OK11_Z Q 2.3 BOOL Закрытие Отсекающего клапана ОК 1.1
Q_OK12_Z Q 2.4 BOOL Закрытие Отсекающего клапана ОК 1.2
Q_OK13_Z Q 2.5 BOOL Закрытие Отсекающего клапана ОК 1.3
Q_OK14_Z Q 2.6 BOOL Закрытие Отсекающего клапана ОК 1.4
Q_OK15_Z Q 2.7 BOOL Закрытие Отсекающего клапана ОК 1.5
Q_OK21_Z Q 3.0 BOOL Закрытие Отсекающего клапана ОК 2.1
Q_OK22_Z Q 3.1 BOOL Закрытие Отсекающего клапана ОК 2.2
Q_OK23_Z Q 3.2 BOOL Закрытие Отсекающего клапана ОК 2.3
Q_OK24_Z Q 3.3 BOOL Закрытие Отсекающего клапана ОК 2.4
Q_OK25_Z Q 3.4 BOOL Закрытие Отсекающего клапана ОК 2.5


Рисунок 13.3 - Программная реализация алгоритма плавного переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерации отсеченного Na-катионитового фильтра
13.3 Имитационное моделирование на основе сетей Петри
Основным инструментом моделирования параллельных процессов, а также процессов содержащих логическое условие перехода к следующей операции являются сети Петри [13].
Сетевая модель плавного переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерации отсеченного Na-катионитового фильтра представлена на рис.13.4.

Рисунок 13.4 - Сетевая модель алгоритма
Перед началом процесса переключения между фильтрами №1 и №2 и автоматической регенерации отсеченного Na-катионитового фильтра анализируется щелочность воды и состояние клапанов ОК 1.1 и ОК 2.1.
Позиция ON_OK11 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 1.1, позиция ON_OK21 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 2.1, позиция PH1>30 моделирует состояние, когда щелочность умягченной воды превысила 30 мг экв/литр.
Фрагмент сети {T0,Т1,Т2,Т3}U{ON_OK21,ON_RK2,OFF_OK11,OFF_RK1}и {T0(1),
Т1(1),Т2(1),Т3(1)}U{ON_OK11,ON_RK1,OFF_OK21,OFF_RK2} моделирует переключение между фильтрами №1 и №2. Переход Т0 моделирует процесс открытия клапана ОК 2.1, переход Т0(1) соответственно моделирует процесс открытия клапана ОК 1.1. Позиция ON_OK21 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 2.1, позиция ON_OK11 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 1.1. Переход Т1 моделирует процесс открытия регулирующего клапана РК 2, переход Т1(1) соответственно моделирует процесс открытия регулирующего клапана РК 1. Позиция ON_RK2 моделирует состояние открытого регулирующего клапана РК 2 на 100%, позиция ON_RK1 моделирует состояние открытого регулирующего клапана РК 1 на 100%. Переход Т2 моделирует процесс закрытия отсечного клапана ОК 1.1, переход Т2(1) соответственно моделирует процесс закрытия отсечного клапана ОК 2.1. Позиция OFF_OK11 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 1.1, позиция OFF_OK21 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 2.1. Переход Т3 моделирует процесс закрытия регулирующего клапана РК 1, переход Т3(1) соответственно моделирует процесс закрытия регулирующего клапана РК 2. Позиция OFF_RK1 моделирует состояние закрытого регулирующего клапана РК 1 на 0%, позиция OFF_RK2 моделирует состояние закрытого регулирующего клапана РК 2 на 0%.
Фрагмент сети {T4,Т5,Т6,Т7,Т8,Т9,Т7,Т10,Т11,Т12,Т13,Т14}U{ON_OK12, ON_OK13, OFF_OK13, OFF_OK12, ON_OK14, ON_OK15, OFF_OK15, ON_OK11, OFF_OK11, OFF_OK14 } и {T4(1),Т5(1),Т6(1),Т7(1),Т8(1),Т9(1),Т7(1),Т10(1),Т11(1),Т12(1),Т13(1),Т14(1)}
U{ON_OK22, ON_OK23, OFF_OK23, OFF_OK22, ON_OK24, ON_OK25, OFF_OK25, ON_OK21, OFF_OK21, OFF_OK24 } моделирует автоматическую регенерацию Na-катионитового фильтра №1 и №2.
Первый этап регенерации Na-катионитового фильтра – «взрыхление катионита» моделируется на фрагменте сети {T4,Т5,Т6,Т7}U{ON_OK12,ON_OK13,OFF_OK13,OFF_OK12} и {T4(1),Т5(1),Т6(1),Т7(1)}U{ON_OK22,ON_OK23,OFF_OK23,OFF_OK22}.
Переход Т4 моделирует процесс открытия клапана ОК 1.2, переход Т4(1) соответственно моделирует процесс открытия клапана ОК 2.2. Позиция ON_OK12 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 1.2, позиция ON_OK22 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 2.2. Переход Т5 моделирует процесс открытия клапана ОК 1.3, переход Т5(1) соответственно моделирует процесс открытия клапана ОК 2.3. Позиция ON_OK13 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 1.3, позиция ON_OK23 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 2.3. Переход Т6 моделирует процесс закрытия клапана ОК 1.3 по истечении времени взрыхления – 20 минут, переход Т6(1) соответственно моделирует процесс закрытия клапана ОК 2.3 по истечении времени взрыхления – 20 минут. Позиция OFF_OK13 моделирует состояние закрытого отсечного клапана ОК 1.3, позиция OFF_OK23 моделирует состояние закрытого отсечного клапана ОК 2.3. Переход Т7 моделирует процесс закрытия клапана ОК 1.2, переход Т7(1) соответственно моделирует процесс закрытия клапана ОК 2.2. Позиция OFF_OK12 моделирует состояние закрытого отсечного клапана ОК 1.2, позиция OFF_OK22 моделирует состояние закрытого отсечного клапана ОК 2.2.
Второй этап регенерации Na-катионитового фильтра – «регенерация катионита» моделируется на фрагменте сети {T8,Т9,Т10}U{ON_OK14,ON_OK15,OFF_OK15} и {T8(1),Т9(1),Т10(1)}U{ON_OK24,ON_OK25,OFF_OK25}. Переход Т8 моделирует процесс открытия клапана ОК 1.4, переход Т8(1) моделирует процесс открытия клапана ОК 2.4. Позиция ON_OK14 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 1.4, позиция ON_OK24 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 2.4. Переход Т9 моделирует процесс открытия клапана ОК 1.5, переход Т9(1) моделирует процесс открытия клапана ОК 2.5. Позиция ON_OK15 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 1.5, позиция ON_OK25 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 2.5. Переход Т10 моделирует процесс закрытия клапана ОК 1.5 по истечении времени регенерации – 15 минут, переход Т10(1) соответственно моделирует процесс закрытия клапана ОК 2.5 по истечении времени регенерации – 15 минут. Позиция OFF_OK15 моделирует состояние закрытого отсечного клапана ОК 1.5, позиция OFF_OK25 моделирует состояние закрытого отсечного клапана ОК 2.5.
Третий этап регенерации Na-катионитового фильтра – «отмывка катионита» моделируется на фрагменте сети {T11,Т12,Т13}U{ON_OK11,OFF_OK11,OFF_OK14} и {T11(1),Т12(1),Т13(1)}U{ON_OK21,OFF_OK21,OFF_OK24}. Переход Т11 моделирует процесс открытия клапана ОК 1.1, переход Т11(1) моделирует процесс открытия клапана ОК 2.1. Позиция ON_OK11 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 1.1, позиция ON_OK21 моделирует состояние открытого отсечного клапана ОК 2.1. Позиция PH2<20 и PH3<20 моделирует состояние, когда щелочность сливной воды менее 20 мг экв/литр, что дает разрешение на продолжение алгоритма. Переход Т12 моделирует процесс закрытия клапана ОК 1.1, переход Т12(1) соответственно моделирует процесс закрытия клапана ОК 2.1. Позиция OFF_OK11 моделирует состояние закрытого отсечного клапана ОК 1.1, позиция OFF_OK21 моделирует состояние закрытого отсечного клапана ОК 2.1. Переход Т13 моделирует процесс закрытия клапана ОК 1.4, переход Т13(1) моделирует процесс закрытия клапана ОК 2.4. Позиция OFF_OK14 моделирует состояние закрытого отсечного клапана ОК 1.4, позиция OFF_OK24 моделирует состояние закрытого отсечного клапана ОК 2.4.
Переход Т14 моделирует процесс завершения автоматической регенерации Na-катионитового фильтра №1, переход Т14(1) соответственно моделирует процесс завершения автоматической регенерации Na-катионитового фильтра №2. Позиция Р26 моделирует состояние завершения автоматической регенерации Na-катионитового фильтра №1, Р26(1) моделирует состояние завершения автоматической регенерации Na-катионитового фильтра №2.
Таким образом, модель адекватно отражает топологию переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерации отсеченного Na-катионитового фильтра. Программная реализация ДН-сети является имитационной моделью процесса, реализованной не в виде традиционного алгоритмического описания, а на математической схеме ДН-сетей. Следовательно, для модели применимы все методы анализа теории сетей Петри. Программная реализация выполнена в пакете PIPE3: Platform Independent Petri Net Editor 3.0.
Вывод:
В данном разделе разработана система автоматического переключения на регенерацию Na-катионитовых фильтров 2 ступени умягчения воды при превышении заданной щелочности воды и система автоматического управления процессом регенерации отсеченного Na-катионитового фильтра 2 ступени. С помощью которой при достижении щелочности выше 30мг экв/литр, произойдет плавное переключение работы фильтров с дальнейшем включением на автоматическую регенерацию отсеченного Na-катионитового фильтра 2 ступени умягчения воды. Это позволило своевременно и в автоматическом режиме переключать фильтры, что в свою очередь снизило скачки уровня в барабане котла и повысило качество регулирования в целом.
На основании этого составлен алгоритм плавного переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерации отсеченного Na-катионитового фильтра и реализован на контроллере SIMATIC S7-300 фирмы SIEMENS. Также данный алгоритм был смоделирован в пакете PIPE3: Platform Independent Petri Net Editor 3.0. на основе сетей Петри. [13,14]

14 Надежность средств автоматики
Расчет надежности каскадной системы автоматического регулирования (управления)
Для оценки поведения автоматической системы в эксплуата¬ционных условиях используется понятие надежности системы. При эксплуатации автоматическая система может подвергаться воз¬действию: механических нагрузок (вибраций, ударов, постоянного ускорения); электрических нагрузок (напряжения, электриче¬ского тока, мощности); окружающих усло¬вий (температура, влажность, давление).
Влияние указанных факторов проявляется в виде отклонений параметров системы от номинальных (расчетных) значений. Эти отклонения могут быть настолько значительными, что система становится непригодной к использованию, так как возникновение больших отклонений па¬раметров от расчетных значений при эксплуатации системы при¬водит к аварии или к появлению брака в выпускаемой продук¬ции.
Когда система перестает удовлетворять предъявляемым к ней требованиям, систему считают отказавшей. Сле¬довательно, надежность является одной из характеристик каче¬ства системы, поэтому она, как и другие характеристики системы (точность, быстродействие), должна оцениваться количественно на основе анализа технических параметров системы в экс¬плуатационных условиях.
Надежность – свойство системы сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации.
Для расчета надежности каскадной системы регулирования уровня в барабане котла составим структурную модель каскадной системы (рис. 14.1).

Рисунок 14.1 - Структурная модель каскадной системы
Структурная схема каскадной системы где:
W1(S) – процент положения регулирующего органа на расходе воды – уровень в барабане котла;
W2(S) – процент положения регулирующего органа на расходе воды – расход воды;
F воды – входное воздействие – расход воды на котел;
L – выходная величина – уровень в барабане котла;
% открытия РО на воде – управляющее воздействие, приложенное к подаче расхода воды в барабан котла.
Составляем структурную схему системы подлежащей расчету:


Рисунок 14.2 - Структурная схема каскадной системы
Где: Д1 - датчик перепада давления Rosemount 3051CD;
ЛС - линии связи;
КОНТ – контроллер, SIMATIC S7-300;
МЭО - Механизм электрический однооборотный с аналоговым управлением 4-20 мА с датчиком положения токовым с выходным сигналом 4-20мА МЭО-250/25-0,25А-06К У;
РО - регулирующий орган;
Д2 - преобразователь расхода вихревой Rosemount 8800D.
Исходные данные записываем в таблицу 14.1.
Таблица 14.1
Исходные данные
Наименование элемента Характеристики
Датчик перепада давления Rosemount 3051CD Вероятность безотказной работы Pпд=0,99
Линии связи Вероятность отказа линий связи за t = 2000 ч. qлс=0,004
Контроллер
SIMATIC S7-300 Среднее время наработки на отказ 200000 ч.
Механизм электрический однооборотный
МЭО-250/25-0,25А-06К У Вероятность безотказной работы Pмэо=0,99
Регулирующий орган Вероятность безотказной работы Pро=0,99
Преобразователь расхода вихревой Rosemount 8800D Вероятность безотказной работы Pпрв=0,99

Принимаем, что закон распределения отказов – экспоненциальный.
Рассчитываем вероятность безотказной работы (ВБР) каждого элемента:
1. ВБР датчика перепада давления Pпд = 0,99 ;
2. ВБР линий связи Pлс=1- qлс
Pлс = 1 - 0,004 = 0,996 ;
3. ВБР контроллера SIMATIC S7-300 определяется следующим образом:
Так как принят экспоненциальный закон надежности то
Pк = EXP•(-λ•t), т.к. λ = 1/T
то Pк = EXP•(-t/Т),
Pк = EXP•(-2000/200000) = 0,99;
4. ВБР механизма электрического однооборотного Pмэо = 0,99 ;
5. ВБР регулирующего органа Pро = 0,99 ;
6. ВБР преобразователеля расхода Pпрв = 0,99 .

Тогда вероятность безотказной работы каскадной системы регулирования уровня в барабане котла определится следующим образом:
Ркан = Pпд • Pлс • Pк • Pлс • Pмэо • Pро • Pлс • Pпрв

Ркан = 0,99 • 0,996 • 0,99 • 0,996 • 0,99 • 0,99 • 0,996 • 0,99 = 0,9396

Вывод: Рекомендуемый в научно-технической литературе уровень надежности средств и систем автоматизации, должен быть не менее 0,9 ÷ 0,95. Так как рассчитанная вероятность безотказной работы каскадной системы регулирования уровня в барабане котла выше 0,9, то можно сделать вывод о том, что данный системы регулирования обеспечивает достаточную надежность работы.
15 Охрана труда и безопасность жизнедеятельности
15.1 Охрана труда в РФ
Охрана труда - система обеспечения безопасности жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия.
Возможность создания безопасных и здоровых условий труда заложена в самом способе производства, в широком использовании достижений науки и техники. Охрана здоровья рабочих и служащих в процессе исполнения трудовых обязанностей закреплена в трудовом законодательстве, непосредственно направленном на создание безопасных и здоровых условий труда. Важные положения об охране труда закреплены в четырех главах Основ законодательства. Кроме того, разработаны и введены в действие многочисленные правила техники безопасности, санитарии, нормы и правила, соблюдение которых обеспечивает безопасность труда.
В статье 42 Конституции Российской Федерации закреплено неотъемлемое право российских граждан на охрану здоровья, а в статье 21 записано: "Государство заботится об улучшении условий и охране труда, его научной организации, о сокращении, а в дальнейшем вытеснении тяжелого физического труда на основе комплексной механизации и автоматизации производственных процессов во всех отраслях народного хозяйства".
Ответственность за состояние охраны труда несет администрация предприятий, организаций и учреждений.
Администрация предприятий обязана обеспечивать надлежащее техническое оснащение всех рабочих мест и создавать на них условия работы, соответствующие правилам охраны труда, техники безопасности, санитарным нормам.
Основными направлениями государственной политики в области охраны труда являются:
 признание и обеспечение приоритета жизни и здоровья работников по отношению к результатам производственной деятельности предприятия;
 координация деятельности в области охраны труда, в других областях экономической и социальной политики, а также в области охраны окружающей природной среды;
 установление единых нормативных требований по охране труда для предприятий всех форм собственности независимо от сферы хозяйственной деятельности и ведомственной подчиненности;
 государственное управление деятельностью в области охраны труда, включая государственный надзор и контроль за соблюдением законодательных и иных нормативных актов об охране труда;
 общественный контроль за соблюдением законных прав и интересов работников в области охраны труда на производстве, осуществляемый работниками через профессиональные союзы в лице их соответствующих органов и иные уполномоченные работниками представительные органы;
 взаимодействие и сотрудничество органов государственного управления, надзора и контроля с работодателями, профессиональными союзами в лице их соответствующих органов и иными уполномоченными работниками, представительными органами, заинтересованными в разработке и практической реализации государственной политики в области охраны труда;
 проведение эффективной налоговой политики, стимулирующей создание здоровых и безопасных условий труда, разработку и внедрение безопасных техники и технологий, средств коллективной и индивидуальной защиты работников;
 применение экономических санкций в целях соблюдения предприятиями и работниками нормативных требований по охране труда;
 обеспечение работников специальной одеждой, специальной обувью, средствами коллективной и индивидуальной защиты, лечебно-профилактическим питанием, необходимыми профилактическими средствами за счет средств работодателей;
 обязательное расследование каждого несчастного случая и профессионального заболевания на производстве;
 установление компенсаций и льгот за тяжелые работы и работы с вредными или опасными условиями труда, не устранимыми при современном техническом уровне производства и организации труда;
 защита интересов работников, пострадавших от несчастных случаев на производстве или получивших профессиональные заболевания, а также членов их семей;
 подготовка специалистов в области охраны труда, в том числе в образовательных учреждениях высшего и среднего профессионального образования;
 установление государственной статистической отчетности об условиях труда, о несчастных случаях на производстве и профессиональных заболеваниях;
 информирование работников о состоянии условий и охраны труда на предприятиях;
 осуществление мероприятий по пропаганде передового опыта в области охраны труда;
 международное сотрудничество при решении проблем охраны труда.
Охрана труда рассматривается как одно из важнейших социально-экономических, санитарно-гигиенических и экономических мероприятий, направленных на обеспечение безопасных и здоровых условий труда.
На всех производственных участках комбината осуществлён комплекс технических мероприятий, обеспечивающих безопасность и сохранение здоровья обслуживающего персонала при условии выполнения всеми работниками основных требований правил безопасности и промсанитарии, технологических и рабочих инструкций, а также соблюдения правил внутреннего трудового распорядка и производственной дисциплины.
15.2 Свойства используемых и получаемых веществ
Котел ДКВР-20-13 относится к категории взрывопожароопасным производствам и характеризуется наличием в системе вредных (токсичных) веществ, высоких температур и давлений.
К персоналу, задействованному в работе системы, относятся:
1) эксплуатационный персонал системы - это технологический персонал, эксплуатирующий технологический объект в условиях функционирования АСУТП (оператор).
2) обслуживающий персонал системы – это персонал, обеспечивающий работоспособность системы.
Обслуживание локальной части (полевой уровень) системы должно выполняться существующими в производстве службами КИП и А.
Обслуживание МПК, рабочей станции (компьютера) и программного обеспечения системы может осуществляться отделом АСУ ТП и подразделениями автоматизации производства.
Вредный производственный фактор — фактор среды и трудового процесса, который может вызвать профессиональную патологию, временное или стойкое снижение работоспособности, повысить частоту соматических и инфекционных заболеваний, привести к нарушению здоровья.
Опасный производственный фактор — фактор среды и трудового процесса, который может быть причиной острого заболевания или внезапного резкого ухудшения здоровья, смерти. В зависимости от количественной характеристики и продолжительности действия отдельные вредные производственные факторы могут стать опасными.
Перечень ОПФ и ВПФ определен ГОСТом 12.0.003-74 «Опасные и вредные производственные факторы. Классификация». Согласно этому ГОСТу факторы делятся на:
 физические факторы;
 химические факторы;
 биологические факторы;
 психологические факторы.
Физические:
Повышенная температура поверхностей оборудования и воздуха рабочей зоны. К ним относятся: оборудование, находящееся в работе под высоким давлением, высокой температуре (трубопроводы пара и горячей воды), t воздуха рабочей зоны в летний период в районе пароперегревателей котлов доходит до + 50°С.
Повышенный уровень шума до 80 дБ и вибрации до 11,2 мм/с на рабочем месте от вращающихся механизмов и дросселирования через арматуру перегретого пара.
Повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны. Применение в качестве источника тепла попутного газа, проведение ремонтно-строительных работ может привести к образованию в воздухе рабочей зоны асбоцементной пыли, стеклянных и минеральных волокон, окислов азота, серы и т.п.
Химические:
Опасные вещества.
Таблица 15.1
Наименование вещества Пределы воспламеняемости горючих газов в воздухе, % по объему Склонность к самовоспламенению Токсичность Средства индивидуальной защиты
Водород 4 – 75 Да Не токсичен --
Метан 5 – 15 Да Не токсичен Противогазы, ПШ-2,
самоспасатели СПИ-20, ПДУ-3
Окись
углерода 12,5 – 75 Да Токсичен Противогаз СО,
самоспасатели СПИ-20, ПДУ-3

Психофизиологические:
Физические перегрузки.
Нервно-психические перегрузки.
Данный вид вредных факторов возникает в связи с необходимостью постоянного контроля за работающим оборудованием, возможностью возникновения аварийной ситуации, непрерывностью производства.
При производстве тепловой энергии не выделяется вредных веществ в количестве, которое вызывает за собой необходимость постоянного ношения средств защиты органов дыхания.
Безопасная работа установки зависит от квалификации обслуживающего персонала, соблюдения требований и правил безопасного ведения технологического процесса, пожарной и газовой безопасности, электробезопасности, правильной технологической эксплуатации оборудования и коммуникаций, соблюдение норм технологического режима. К работе допускаются лица прошедшие инструктаж по охране труда, теоретическое и практическое обучение по безопасным методам работы, сдавшие экзамен на допуск к самостоятельной работе.
Работы ведутся при исправном оборудовании, строго выдерживаются параметры технологической карты, соблюдаются все инструкции, имеющиеся на каждом рабочем месте. Постоянно вести контроль над состоянием всех систем сигнализации, приборов контроля и автоматики.
Пожароопасность установки заключается:
 в наличии высоких температур;
 в наличии горючего природного газа.
Наиболее опасными местами в котельной БКПРУ-3 являются помещения топки и трубные магистрали.
15.3 Классификация производства
По степени пожароопасности помещения производства парокотельного цеха относятся к категории «Г».
Производственное здание паровой котельной входит в состав производства калийных солей, которое относится к классу II - санитарно-защитная зона определена в 500 м.
По Степени огнестойкости здания, сооружения относится ко II классу.
Основные неблагоприятные санитарно-гигиенические факторы производственной среды и их действие на организм человека.
Метеорологические условия производственной среды (температура, влажность, скорость движения воздуха) оказывают значительное влияние на протекание жизненных процессов в организме человека и являются важной характеристикой гигиенических условий труда. Высокая температура и высокая влажность приводят к тепловым ударам и судорожной болезни. Низкие температуры особенно при интенсивном движении воздуха, вызывают переохлаждение организма. Систематическое воздействие холода может привести к постоянному ознобу, обморожению, хроническим простудным заболеваниям.
Оптимальные показатели температуры воздуха распространяются на всю рабочую зону, допустимые показатели устанавливаются дифференцированно для всех рабочих мест. В холодный период года колеблется от 16 до 24 0С, в теплый – от 18 до 25 °С. Оптимальная влажность воздуха 40 – 60 % устанавливается. Допустимая влажность воздуха устанавливается в зависимости от периода года и видов выполняемых работ. Оптимальная скорость движения воздуха от 0,1 до 0,4 м/с, зависит от периода и категории выполняемых работ.
Для гигиенической оценки воздуха производственных помещений большое значение имеет его электрическое состояние. Под влиянием ряда ионизирующих факторов воздух насыщается ионами положительной и отрицательной полярности. Отрицательные ионы нормализуют артериальное давление, обмен веществ, повышают устойчивость организма к недостатку кислорода, охлаждению. Положительные – оказывают неблагоприятное воздействие на организм человека.
Шум. Действие шума зависит от силы, частоты, продолжительности и регулярности звука. При длительном воздействии шума поражаются органы слуха и нервной системы. Высокочастотные шумы переносятся организмом человека тяжелее, чем низкочастотные. Наибольший допустимый уровень шума – 80Дб. Способы защиты от шума: гашение в источнике, шумоизоляция и шумопоглащение, средства индивидуальной защиты.
Вибрация. Вибрации высокой интенсивности при продолжительном воздействии на организм человека вызывают изменения нервной и сердечно-сосудистой системы, опорно-двигательного аппарата, желудочно-кишечного тракта, органов равновесия и др. Особую опасность вибрация представляет для центральной нервной системы, головного и спинного мозга.
По способу передачи на человека различают общую и локальную вибрацию. Общая вибрация передается через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека. Локальная вибрация передается через руки человека.
По временной характеристике различается: постоянная и не постоянная вибрация. Норма локальной вибрации меньше 109 – 115дБ.
Производственная пыль. Тонкодисперсные частицы твердых веществ, образующиеся при различных производственных процессах (дроблении, размоле, просеивании, транспортировке, расфасовке и т.д.) и свободные длительное время находится во взвешенном состоянии в воздухе, являются производственной пылью. Вредное воздействие пыли на организм зависит от дисперсности, массы, растворимости, электрозаряженности, твердости и формы пылинок. заболевание легких, связанное с воздействием на них производственной пыли, носят название пневмокониозов.
Способы защиты от пыли: замена технологического процесса, орошение, вентиляция, вытяжка, местные укрытия и средства индивидуальной защиты.
15.4 Мероприятия по технике безопасности
К обслуживанию установок, работающих под давлением, допускаются лица, достигшие 18 лет и имеющие соответ¬ствующее квалификационное удостоверение.
Котельные помещения строят из несгораемых материа¬лов, без чердачных перекрытий. Фронт всех котлов должен быть расположен по прямой линии и обращен к окнам котель¬ной. Расстояние от фронта котла до противоположной стены должно быть не менее 3 м, ширина проходов между котлами, а также между котлом и стенами здания — не менее 1 м.
В котельных с площадью пола до 200 м2 разрешается ус¬траивать один выход, а при большей площади должно быть два выхода.
Котельные должны иметь достаточное естественное и искусственное освещение. Для электрических ламп, находя¬щихся на высоте до 2,5 м, напряжение в осветительной сети не должно превышать 36 В.
Запрещается хранение в котельной легковоспламеняю¬щихся и горючих жидкостей. Все проходы в котельном поме¬щении и все выходы наружу должны быть свободными.
В котельной должен быть телефон или сигнальное уст¬ройство для экстренного вызова администрации. Паровые котлы с давлением свыше 0,7 кгс/см2 могут быть пущены в эксплуатацию только после разрешения органа Госгортехнадзора. Установка котлов, регистрируемых в органах Госгортехнадзора, в жилых, общественных и бытовых зданиях, а также в примыкающих к ним помещениях не разрешается.
После регистрации парового котла инспектор котлонад¬зора производит техническое освидетельствование и резуль¬таты записывает в специальный паспорт, где указывается срок следующего освидетельствования и наибольшее допус¬тимое рабочее давление.
Для обеспечения безопасных условий эксплуатации кот¬лы (сосуды) должны быть оборудованы приборами для изме¬рения давления и температуры, предохранительными уст-ройствами, запорной арматурой и указателями уровня жидкости.
Для отключения парового котла от потребителей пара используют парозапорные вентили и задвижки. С целью кон¬троля уровня воды в паровом котле применяются водоуказательные приборы (водоуказательные стекла и контрольные краны), а также контрольные пробки.
В случае пожара в котельной необходимо немедленно вызвать пожарную команду и одновременно принять меры к его тушению. После устранения аварии или пожара производят запись в вахтенном журнале. О каждой аварии и каждом несчастном случае при обслуживании котлов уведомляют инспектора котлонадзора, который занимается их расследованием.
Мероприятия по технике безопасности при производстве строительно-монтажных работ на действующих предприяти¬ях разрабатывают и утверждают заказчик и подрядчик на основе требований СНиП Ш-А П-85.
Устройство и обслуживание котельных установок должны соответствовать Правилам устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов, Правилам взрывобезопасности установок для приготовления и сжигания топлива в пылевидном состоянии, Правилам взрывобезопасности при использовании мазута в котельных установках и Правилам безопасности в газовом хозяйстве.
Предохранительные и взрывные клапаны котла (пароводяного тракта, топки и газоходов) должны иметь отводы для удаления пароводяной смеси и взрывных газов при срабатывании клапанов за пределы рабочего помещения в места, безопасные для обслуживающего персонала, или должны быть ограждены отбойными щитами со стороны возможного нахождения людей.
Запрещается заклинивать предохранительные клапаны работающих котлов или увеличивать нажатие на тарелки клапанов путем увеличены массы груза или каким-либо другим способом. Грузы рычажных предохранительных клапанов должны быть застопорены и запломбированы так, чтобы исключалась возможность их самопроизвольного перемещения.
К форсункам котла должен быть обеспечен свободный, удобный доступ для обслуживания и ремонта. Во избежание ожогов при обратном ударе пламени на отверстиях для установки форсунок должны быть экраны, а вентили, регулирующие подачу топлива и воздуха к форсункам, или их приводы должны располагаться в стороне от отверстий.
Запрещается во время обхода открывать люки, лазы на котле, за исключением кратковременного открытия смотровых лючков и гляделок при условии нахождения сбоку от них.
Запрещается зажигать топливо в топках при открытых лазах и гляделках. Смотровые лючки для постоянного наблюдения за факелом должны быть закрыты стеклом. У котлов, работающих под наддувом, должны быть предусмотрены устройства, предотвращающие разрыв стекол. Персонал, производящий осмотр, должен надевать защитные очки.
Перед растопкой котла на нем должны быть прекращены все ремонтные работы, а весь персонал, не имеющий отношения к растопке, выведен начальником смены цеха (блока). На соседних котлах должны быть прекращены все ремонтные работы, выполняемые вне топок и газоходов на сторонах, обращенных к растапливаемому котлу или находящихся в пределах прямой видимости от него (фронтовая и задняя стены, потолочные перекрытия). Работы на котле возобновляются по указанию дежурного персонала.
При продувке нижних точек котлов сначала следует открывать полностью первый по ходу продуваемой среды вентиль, затем постепенно второй. По окончании продувки надо сначала закрыть второй по ходу вентиль, затем первый.
При внезапном прекращении подачи газа в котельную отключающие устройства на вводе газопровода в котельную и у котлов должны быть перекрыты, а продувочные свечи на отключенном газопроводе открыты.
Запрещается стоять против открытых гляделок, смотровых или шуровочных люков при осмотре или выполнении шуровочных работ.
Перед проведением импульсной (термоволновой) и других механизированных видов очистки поверхностей нагрева котла и регенеративных воздухоподогревателей персонал должен быть удален из зоны расположения очищаемых элементов котла. Осмотры и ремонт в этой зоне в период очистки запрещаются.
При выполнении работ внутри топки в ней одновременно должно находиться не менее 2 чел.
Персонал, работающий в топке и на конвективных поверхностях нагрева котлов, сжигающих мазут, должен знать о вредности образующихся отложений и обмывочных вод и пользоваться при работе респираторами, кислото- и щелочестойкими перчатками и рукавицами.
Запрещается использовать для влезания в топку или конвективную шахту котла лаз, через который проходят сварочные кабели, газоподводящие рукава или провода осветительной сети.
Электрические сборки, распределительные устройства, щиты, должны запираться на замок, для исключения поражения людей электротоком. Так же на дверях должны быть написаны предупреждающие знаки и надписи: «Высокое напряжение», «Опасно для жизни», «Стой, Высокое напряжение»
При выполнении ремонтных работ эл. оборудования должны быть выполнены технические и организационные мероприятия согласно межотраслевых правил по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок, которые были введены с 1 июля 2001г.
Корпуса электродвигателей: насосы, вентиляторы, компрессоры, привода задвижек, металлические корпуса кнопочных постов, пультов управления должны быть заземлены. Заземляющий контур должен быть видимый и изготовлен из стали, должен быть покрашен в черный цвет.
Вращающаяся части оборудования (соединительные муфты) должны быть защищены кожухами от случайного прикосновения и захвата.
Для предохранения головы от повреждения, вызываемого падением случайных предметов, используют защитные фибровые каски.
15.5 Санитарно-технические мероприятия
Технологический процесс и применяемое оборудование в цехе учитывают требования действующего санитарного законодательства и в частности: нормативы предельно допустимых концентраций (ПДК) пыли, CO2 в воздухе, СO2, СO, O2 в отходящих газах, нормы естественного и искусственного освещения, допустимые параметры шума и вибрации, а также максимальную механизацию для уменьшения физических усилий, предупреждения утомления рабочих.
Санитарные правила и гигиенические требования к технологическому процессу и производственному оборудованию направлены на максимальное, возможное на современной стадии технологического процесса, устранения производственных вредностей или их воздействия на работающих в целях оздоровления условий труда в целом, повышения санитарной культуры производства.
Основными направлениями в организации технологического процесса, удовлетворяющими требованиям гигиены и охраны труда, промышленной санитарии и техники безопасности является:
 комплексная механизация и автоматизация производственных операций (в возможных случаях) при дистанционном управлении ими;
 непрерывность производственного процесса;
 герметизация оборудования и аппаратуры;
 теплоизоляция оборудования с большим тепловыделением;
 автоматизация сигнализации хода процесса в отдельных операциях.
Электрическое освещение производственных помещений выполнено согласно норм:
 освещенность рабочего места оператора не менее 400 люкс;
 освещенность лестничных клеток не менее 10 люкс;
 в помещении щитов приборов не менее 200 люкс.
Отопительные системы цеха обеспечивают температуру в зимний период не менее +16…+18 0С.
В цехе оборудованы гардеробные, душевые, туалетные, производится механизированная стирка и ремонт спецодежды за счет предприятия.
Бытовые помещения. Нормами определён состав бытовых помещений в зависимости от степени токсичности и особых требований к чистоте производственных помещений.
В состав бытовых помещений предусмотрены гардеробные блоки, помещение для стирки, уборные, места для курения. Гардеробный блок объединяет гардеробную, душевую и умывальное помещение. Число мест для хранения одежды в гардеробной принимается равным числу работающих. Хранение уличной и домашней одежды и спецодежды отдельное. Число душевых сеток и умывальников: 3 человека на 1 душевую сетку и 15 человек на 1 умывальник.
Так же следует соблюдать правила личной гигиены, т.е. не хранить одежду на рабочем месте, не одеваться и не раздеваться на рабочем месте, не принимать пищу на рабочем месте и т.д.
К индивидуальным средствам защиты относятся выдаваемые работающим согласно отраслевым нормам:
 спецодежда (костюм брезентовый или х/б, для наружных работ зимой – куртка ватная, костюм ватный), по ГОСТ 12.4.016-83(01); ГОСТ 12.4.100-80(02).
 обувь (сапоги резиновые, ботинки кожаные, для наружных работ зимой – валенки, бурки), по ГОСТ 12.4.103-83(02).
 СИЗ работающих (противогаз «В», диэлектрические перчатки, калоши, респиратор, рукавицы брезентовые или х/б, предохранительные пояса, противошумные наушники), по ГОСТ 12.1.009-76, ГОСТ 12.4.041-01(с попр. 02); ГОСТ 12.4.119-82, ГОСТ 12.4.107-82(02).
Каждый рабочий должен быть одет в хорошо подогнанную и исправную спецодежду. Стирка спецодежды производится в прачечной комбината.
15.6 Пожарная безопасность
Ответственность за соблюдение и выполнение требований и правил пожарной безопасности в цехе возлагается на начальника цеха. Ответственность за непринятие надлежащих мер по соблюдению противопожарного режима и за неисправность противопожарного оборудования в каждой смене возлагается на старшего машиниста.
Рабочие и ИТР цеха проходят инструктаж по правилам пожарной безопасности при приеме на работу.
Лица, ответственные за пожарную безопасность обязаны:
 знать и выполнять правила противопожарного режима и осуществлять постоянное наблюдение за их выполнением всеми работниками цеха;
 знать степень огнестойкости и взрывоопасности производства и употребляемых для них материалов;
 знать количество средств пожаротушения, место их расположения;
 знать назначение противопожарных средств, уметь с ними обращаться, правильно их применять.
Расположение противопожарных средств:
а) места расположения противопожарных средств определяют совместно представитель пожарной охраны и администрация цеха;
б) в цехе применяются следующие средства пожаротушения:
• песок, ящики с песком, устанавливаемые на всех рабочих местах: около слесарной мастерской; около центрального входе и т.д.
• пожарные краны расположены: около каждого котла; около центрального входа;
• огнетушители ОХП-10, ОПУ-5, ОУ-2 установлены из расчета 1 шт. на 300 м2 – всего 30 шт.
Тушение пожаров, участие персонала в тушении пожаров:
Старший мастер и технологический персонал смены, прибывшие на место пожара выполняют следующие операции:
а) в первую очередь нужно устранить причину пожара, не допускать поступления в очаг пожара свежих горючих веществ;
б) организовать тушение пожара первичными средствами пожаротушения;
в) сообщить о случившемся:
 аварийно-спасательной службе;
 диспетчеру РУ;
 здравпункт;
 администрации цеха.
г) эвакуировать из помещения лиц, не занятых тушением пожара или ведением технологического процесса;
д) принять решение о дальнейшей работе технологического оборудования.
15.7 Расчет предохранительного клапана на пару котла ДКВР 20-13
Воспользуемся методом определения требуемой безопасной площади разгерметизации, который изложен в правилах пожарной безопасности.
Настоящий метод предназначен для определения безопасной площади разгерметизации оборудования и помещений. Такая площадь сбросного сечения предохранительного устройства, вскрытие которой в процессе сгорания смеси внутри оборудования или помещения позволяет сохранить последние от разрушения или деформации, в которых обращаются горючие газы, жидкости или пыли, способные создавать с воздухом взрывоопасные смеси, сгорающие ламинарно или турбулентно во фронтальном режиме.
Сущность метода
Безопасную площадь разгерметизации определяют по расчетным формулам на основе данных о параметрах оборудования, показателях пожаровзрывоопасности горючих смесей, условиях возникновения и развития процесса.
Метод устанавливает зависимость безопасной площади разгерметизации от объема оборудования или помещения и максимально допустимого давления внутри него, давления и температуры технологической среды, термодинамических и термокинетических параметров горючей смеси, условий истечения, степени турбулентности.
Основный исходные данные:
V – объем барабана котла, 4,9м3;
Ризб.макс – максимальное избыточное давление в барабане котла, не допустимое в эксплуатационном режиме 1,6 МПа.
Тпара – температура пара внутри барабана котла 195 °С.
Формулы для расчета безопасной площади разгерметизации технологического оборудования с газопаровыми смесями
Безопасную площадь разгерметизации технологического оборудования с газопаровыми смесями определяют по следующим безразмерным критериальным соотношениям:
, (1)
для сосудов, рассчитанных на максимальное относительное давление взрыва 1 <  2 (при одновременном выполнении условия pm > 2р') в знаменателе формулы (1) сомножитель ( — 1) отсутствует, и
, (2)
для сосудов, выдерживающих давление взрыва в диапазоне относительных значений
2 < <
В формулах (1) и (2) приняты следующие обозначения (индексы i, е, т относятся соответственно к начальным параметрам, параметрам горючей смеси, характеристикам горения в замкнутом сосуде, максимальным допустимым значениям):
 — фактор турбулентности, представляющий собой в соответствии с принципом Гуи-Михельсона отношение действительной поверхности фронта пара в аппарате к поверхности сферы, находящиеся в данный момент времени внутри сосуда.
— относительное максимально допустимое давление в сосуде, которое не приводит к его деформации и (или) разрушению, где:
рm — абсолютное максимально допустимое давление внутри сосуда, которое не приводит к его деформации и (или) разрушению. МПа;
рi — абсолютное начальное давление пара в аппарате, при котором происходит нормальное парообразование, Па;
— относительное максимальное давление взрыва данной горючей смеси в замкнутом сосуде, где:
рe — абсолютное максимальное давление взрыва данной горючей смеси в замкнутом сосуде при начальном давлении смеси рi, МПа;
Еi — коэффициент расширения продуктов сгорания смеси;
Комплекс подобия W представляет собой с точностью до постоянного множителя произведение двух отношений — эффективной площади разгерметизации к внутренней поверхности сферического сосуда равного объема и скорости звука в исходной смеси к начальной нормальной скорости пламени:
, (3)
где — число «пи»;
 — коэффициент расхода при истечении свежей смеси и (или) продуктов сгорания через устройство взрыворазрежения (предохранительная мембрана, клапан, разгерметизатор и т.п.);
F — площадь разгерметизации (сбросного сечения), м2;
V — максимальный внутренний объем сосуда, в котором возможно образование горючей газопаровой смеси, м3;
R — универсальная газовая постоянная, равная 8314 Дж / (кмоль • К);
— температура горючей смеси, в нашем случае пара, К;
Mi — молекулярная масса горючей смеси, кг/кмоль;
— нормальная скорость распространения пара при начальных значениях давления и температуры пароводяной смеси, м/с.
Рассчитаем нормальную скорость распространения пара:

где — известное значение нормальной скорости при давлении р0 и температуре Т0;
п и т — соответственно барический и температурный показатели.
В диапазоне давлений от 0,04 до 1,00 МПа и температур от 293 до 500 К для стехиометрических смесей метана, пропана, гсксана, гептана, ацетона, изопропанола и бензола с воздухом барический показатель с ростом давления и температуры свежей смеси увеличивается и находится в диапазоне от 3,1 до 0,6. При значениях давления и температуры, близких к атмосферным, барический и температурный показатели для горючих паровоздушных смесей могут быть приняты в первом приближении соответственно равными п = -0,5 и т = 2,0.
Выражение для комплекса подобия W в соответствии с (3) и определенными значениями и Мi может быть записано в виде
,

где F— площадь разгерметизации, м2.
Следовательно, критериальное соотношение (Т.2) относительно F можно записать в виде
м2.
Предположим, что  = 4 при  = 0,8 . При этом минимальная площадь разгерметизации F = 0,01 м2
Из форумулы расчета площади вычислим минимальный диаметр проходного отверстия:
F=πr2
r=(F/π)0.5= (0,01/3,14)0,5=0,051м
Диаметр составляет минимум 100мм.
В соответствии с этими расчетами, подберем предохранительный клапан минимального диаметра 100мм. СППК4Р-100-16.

Рисунок 15.1 - Предохранительный клапан СППК. Внешний вид
СППК - сбросные пружинные предохранительные клапаны предназначены для защиты различного промышленного оборудования от недопустимого превышения установленного давления. СППК применяюбтся в промышленных резервуарах, водогрейных и других котлах, технических емкостях и трубопроводах для автоматического сброса рабочей среды в атмосферу (газ, пар) или отводящий трубопровод (жидкость). После снижения давления до нужного предела предохранительный клапан прекращает сброс. Расчет пропускной способности производится по ГОСТ 12.2.085.
Предохранительные клапаны СППК изготавливаются из стали марок 20Л, 20ГЛ, 12Х18Н9ТЛ, 12Х18Н12М3ТЛ с фланцевым соединением, с переключающим устройством ПУ для принудительного открытия либо без него. Предохранительные сбросные клапаны предназначены для жидкой и газообразной, химической или нефтяной рабочих сред, герметичность соответствует ТУ 3742-004-07533604-95.
Сбросной клапан СППК4Р-16:

Рисунок 15.2 - Клапан сбросной СППК в разрезе
1 — золотник; 2 — пружина; 3 — опорная шайба; 4 — винт; 5 — рычаг

16 Экономическая часть
16.1 Анализ рыночных перспектив и производственных возможностей ОАО «Уралкалий»
ОАО "Уралкалий" и, в частности БКПРУ-3, выпускающее 95% KCl - это крупное промышленное предприятие по производству калийных удобрений, предлагающее свою продукцию, как на российском рынке, так и на международном рынке калийных удобрений.
На внутренний рынок ОАО “Уралкалий” поставляет мелкозернистый хлорид калия. Мелкозернистый хлорид калия кроме ОАО “Уралкалий” (58%) на внутреннем рынке предлагает ОАО ”Сильвинит”(42%). Количество продукции, предлагаемое этими предприятиями, схематично изображено на рис. 16.1.

Рисунок 16.1 – Процентное соотношение объемов продукции, предлагаемое на внутреннем рынке
После развала внутреннего рынка минеральных удобрений в начале 90–х годов их производство на российских предприятиях, в том числе в ОАО “Уралкалий”, в основном определялось конъюнктурой международного рынка и курсом рубля относительно доллара.
Учитывая ограниченную платежеспособность внутреннего рынка, до 90% вырабатываемой на предприятиях агрохимической продукции направляется на экспорт. Поэтому сегодня финансовое благополучие отрасли определяется, прежде всего, её внешнеэкономической деятельностью.
На внешний рынок ОАО “Уралкалий” поставляет свою продукцию через совместное белорусское предприятие «Белорусская калийная компания» Белорусская калийная компания (БКК) - является мировым лидером по экспортным продажам калийных удобрений. Почти 90% продукции «Уралкалия» направляется на экспорт, преимущественно в Китай, Бразилию, Юго-Восточную Азию и Индию – наиболее перспективные и активно развивающиеся калийные рынки, где компания имеет лидирующие позиции. Продажи «Уралкалия» в России занимают около 10% от общего объема выпускаемой продукции. Продукция «Уралкалия» также реализуется в странах Европы, Африки, на Ближнем Востоке, в США.
16.2 Анализ действующего производства
В настоящее время достижение высоких темпов интенсификации технологических процессов, повышение качества выпускаемой продукции, экономия материальных, энергетических и трудовых ресурсов, повышение надежности работы технологического оборудования, защита окружающей среды и защита важных технико-экономических показателей работы производства невозможны без создания и совершенствования автоматизированных систем контроля и управления. Необходима разработка и внедрение новых экономико-математических методов и средств вычислительной, в том числе и микропроцессорной техники.
Экономическая эффективность систем автоматизации во многом зависит от качества и надежности используемых средств контроля и управления.

Рисунок 16.2 – Принципиальная схема производства КCl на БКПРУ-3
16.2.1 Технико-экономическое обоснование процесса парообразования
ТЭО – процесс выбора наилучшего и экономически целесообразного варианта решения по автоматизации объекта.
По содержанию ТЭО – это система аналитических исследований, технико-экономических расчетов, моделирования. В процессе их выполнения определяются цели автоматизации, критерии эффективности принимаемых решений, технологические параметры, функции управления, контроль и управление, которых подлежит автоматизации. Выбираются системы управления (регулирования), технические средства и их реализация, определение социально-экономические последствия автоматизации – совокупность «затрат и приобретений», т.е. положительных и отрицательных результатов автоматизации, и величина ее экономического эффекта.
Наибольшее внимание уделяется экономическому обоснованию объекта. При этом делается попытка (систематизации методологии) выявления потенциалов. Возможностей производства по улучшению экономических и технико-экономических показателей в результате внедрения АСУТП (повышения уровня автоматизации).

Рисунок 16.3 – Блок-схема дефектной стадии
Входные параметры: попутный газ и питательная вода.
Выходные параметры: пар и отходы.
Образование пара происходит под действием сгорания попутного газа и обогрева этим теплом питательной воды, подаваемой в котел.
Таблица 16.1
Оценка фактических и желаемых результатов
Способ замера Ед. изм. Величина показателя
По нормативам расхода фактические
за год 1кв.
2кв. 3кв. 4кв.
Норма расхода газа при одноконтурной схеме регулирования т 0,170 0,170 0,171 0,1695 0,170 0,1695
Норма расхода газа при каскадно-комбинированной схеме регулирования т 0,169 0,169 0,169 0,169 0,169 0,169
Введение каскадно-комбинированной схемы регулирования позволяет снизить расход газа на 0,001т.

Рисунок 16.4 – Оценка желаемых и фактических результатов
Таблица 16.2
Технико-экономическое обоснование решений дипломного проекта
Основные недостатки существующей схемы производства (аппаратурного оформления) Характер влияния этих недостатков на технико-экономические, экономические и социальные показатели производства Технически возможные варианты ликвидации недостатков Выбранный вариант и его влияние на технико-экономические показатели производства
1 2 3 4
1.Для достижения заданных параметров пара требуемый расход газа составляет 0,17т.
2. При изменении щелочности воды, происходят скачки уровня воды в барабане котла, что приводит к дополнительным расходам газа. 1. Требуется дополнительный расход газа для подогрева питательной воды.
2. Увеличение расхода газа не влечет за собой увеличение паропроизводитель-ности. 1.Внедрение каскадно-комбинированнойго контура АСР управления уровнем воды в барабане котла повышает точность регулирования и снижение расхода газа.
2. Плавное переключение уменьшает амплитуду скачков уровня воды и снижение расхода газа. Внедрение каскадно-комбинированной системы автоматического регулирования и плавного переключения фильтров на базе микропроцессорного контроллера SIMATIC S7-300.
Эффект: Снижение нормы расхода газа с 0,17т до 0,169 т и расхода воды с 0,27т 0,265т


В ОАО «Уралкалий» планомерно и целенаправленно проводится политика на снижение себестоимости продукции, при поддержании ее качества. Одним из путей этого является более полная автоматизация производства. Разрабатываются новые линии по увеличению объема сбыта продукции, как на зарубежных рынках, так и на внутреннем рынке СНГ.
16.3 Расчет производственной мощности на БКПРУ-3 ОАО «Уралкалий»
Производственная мощность – это максимальный выпуск продукции за определенный период времени, при заданных номенклатуре и ассортименте с учетом наилучшего использования ресурсов, имеющихся на предприятии.
16.3.1 Расчет производственной мощности производства пара
Основным оборудованием котлотурбинного цеха являются паровой котел, которых в цехе установлено 4 единицы. Часовая паспортная производительность, которых равна 20 т/час.
Процесс производства пара является непрерывным, поэтому производственную мощность следует рассчитывать по следующей формуле:
где: n – количество паровых котлов- 4 шт;
q – производительность пара – 20 т/час;
Тэф – эффективный фонд времени работы котла.
При непрерывном производстве:
Тэф = Ткал– Тппр – Тнто
где: Ткал – календарный фонд времени, 365∙24 = 8760 часа;
Тппр – время планово-предупредительных ремонтов;
Тнто – время неизбежных технологических остановок за год 0 часов.
Время планово-предупредительных ремонтов рассчитывается на основании ремонтных нормативов на текущие и капитальные ремонты, которые состоят из времени межремонтного пробега и времени нахождения оборудования в этом ремонте.
Ремонтный норматив на капитальный ремонт:
(час/час)
tк- время нахождения в кап.ремонте;
Ремонтный норматив на текущий ремонт: (час/час)
tт- время нахождения в тек.ремонте.
Определяется количество ремонтов за один ремонтный цикл:

ТрцК- время межремонтного пробега кап.ремонта;
ТрцТ-время межремонтного пробега текущего ремонта
.
За один ремонтный цикл осуществляется 1 капитальный ремонт, т.е. Nкап=1. Определяем количество текущих ремонтов: Nтек= Nрем - Nкап= 3,89 – 1 = 2,89 ремонтов.
Составляем ремонтную формулу: 1K+NтекТ1=1К+2,89Т
Определяем длительность ремонтного цикла ( Др.ц):
(года)
Определяем время простоя оборудования в ППР за ремонтный цикл на основе ремонтной формулы:

где tк и tТ – время нахождения оборудования соответственно в капитальном и текущем ремонте.
Определяем время простоя в ППР за год:
Определяем эффективный фонд времени:
ТЭФ = ТКАЛ– ТППР – ТНТО=8760-265,39-0= 8494,61 часов
Определяем производственную мощность:
М1 = 8494,6 ∙ 4 ∙ 20 = 679552 тонн пара/год
16.3.2 Расчет производственной мощности флотационной обогатительной фабрики
Для расчёта производственной мощности обогатительной фабрики по 100% K2O в «Технологическом регламенте производства хлористого калия на обогатительной фабрике БКПРУ-3» приводится следующая формула:

где: q – производительность единицы оборудования в час;
n – количество оборудования;
Тэф – годовой фонд рабочего времени для главного корпуса обогатительной фабрики, час;
MKCl – массовая доля KCl в руде;
Е – товарное извлечение хлористого калия в готовый продукт (с учётом потерь в процессе сушки готового продукта);
k – переводной коэффициент 100% KCl в 100% K2O.
Нагрузка по руде для главного корпуса обогатительной фабрики составляет q = 68 тонн/час.
При непрерывном производстве Тэф определяется по формуле:
Т эф = Т кал - Т ППР;
где Ткал – календарный фонд времени (365*24=8760 часов);
Тппр – время простоя оборудования в ремонте.
Время ППР рассчитываем по ремонтным нормативам на капитальный и текущий ремонт, которые состоят из времени пробега и времени нахождения оборудования в ремонте:
(час/час)
tк- время нахождения в кап.ремонте;
Ремонтный норматив на текущий ремонт: (час/час)
tт- время нахождения в тек.ремонте.
Определяется количество ремонтов за один ремонтный цикл:

ТрцК- время межремонтного пробега кап.ремонта;
ТрцТ-время межремонтного пробега текущего ремонта
.
За один ремонтный цикл осуществляется один капитальный ремонт, то есть Для определения количества текущих ремонтов за ремонтный цикл используем формулу:
рем.
Составим ремонтную формулу:

Определим длительность ремонтного цикла:
(года)
Время простоя оборудования в планово-предупредительном ремонте за ремонтный цикл:
часов

Среднее время простоя в ППР за год определяем по формуле:
(часов)

Следовательно:

Следовательно, производственная мощность определится следующим образом:

(тонн/год)

При производстве хлористого калия пар используется в качестве теплоносителя. Норма расхода пара для производства 1 тонны калия составляет 0,95 тонны пара, а для производства 360150 тонн калия требуется тонн пара, что составляет 49,44 % всего производимого пара. Остальная часть пара распределяется между прочими цехами рудоуправления.
После автоматизации производственная мощность по выпуску KCl не изменится.

16.4 Экономические расчеты и обоснования по проекту
16.4.1 Расчет капитальных вложений

Капитальные вложения – это денежные средства, направленные на новое строительство, реконструкцию, техническое перевооружение, расширение действующего производства и модернизацию.
Затраты на средства автоматизации определяем исходя из оптовой цены единицы оборудования и количества единиц оборудования данной модели.
Цены на оборудование устанавливаем по прейскурантам завода-изготовителя. К прейскурантной цене добавляем транспортно-заготовительные расходы, расходы на оплату услуг посреднических организаций, таможенные платежи (при закупке оборудования по импорту) и расходы на монтаж (общая сумма этих расходов обозначена как УТМ), которые определяем как процент от стоимости оборудования. Расчет амортизационных отчислений производим исходя из первоначальной стоимости и норм амортизации по каждому виду оборудования. Стоимость прочего неучтенного оборудования будем оценивать в процентах от стоимости основного технологического оборудования.
Если приобретенные средства российского производства, то УТМ принимаем равным 60 % от оптовой цены. Если импортное – 100 %.
Таблица 16.3
Расчет затрат на приобретение средств автоматизации и амортизационных отчислений
Наименование оборудования Модель (марка) Кол-во единиц Оптовая цена, руб. Затраты на УТМ, руб. Балансовая стоимость, руб. Норма амортизации, % Сумма амортизационных отчислений, руб./год
единицы принятого количества
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1. Учтенное оборудование - всего
В т.ч.:
Регулирующий клапан в комплекте с ИМ РРЭ-ПТ50М 2 44 600 89 200 53520 142 720 11 15 699,20
Отсекающий клапан ОКК50НО 10 19 500 195 000 117 000
312 000 11 34 320
Измерительный прибор Щелочемер PH210RQ 3 36000 108000 108000 216 000 11 23760
2. Неучтенное оборудование - - - - - - - -
3. Итого 670 720 11 73 779,20

В проекте для автоматизации процесса внедряется новое оборудование. Оборудование, подлежащее утилизации и/или демонтажу отсутствует. Строительство зданий и сооружений не производилось.

16.4.2 Расчет общей потребности в капитальных вложениях
на реализацию проекта
Особенностью основных фондов является перенесение части их стоимости на стоимость готовой продукции. Это перенесение происходит таким образом, чтобы за период эксплуатации основных фондов произошло их возмещение. Возмещение основных фондов путем включения части их стоимости в затраты на выпуск продукции или на выполненную работу, называется амортизацией. Она осуществляется с целью накопления денежных средств для последующего полного или частичного воспроизводства основных фондов.
Таблица 16.4
Сводная смета капитальных затрат на автоматизацию КТЦ
№ Наименование затрат Сумма, руб. Амортизационные отчисления Источник данных
Норма, % Сумма, руб.
1 2 3 4 5 6
1 Затраты на автоматизацию
отделения 670720 11 73 779,20 Табл. 16.3
2 Итого сметная стоимость автоматизации 670720 11 73 779,20 Для расчета экономического эффекта


Таблица 16.5
Стоимость основных фондов и сумма амортизационных отчислений парокотельного цеха БКПРУ-3
Наименование
групп ОПФ До автоматизации После автоматизации
Ост. стоимость,
руб. Амортизационные
отчисления Ост. стоимость,
руб. Амортизационные
отчисления
Норма, % Сумма, руб. Норма, % Сумма, руб.
I Здания, сооружения 63 545 120,50 2,0 1 270 902,41 63 545 120,50 2,0 1 270 902,41
II Оборудование 22 240 630,0 - 2 446 469,3 22 911 350 - 2 520 248,50
а) ранее установленное оборудование 22 240 630,0 11,0 2 446 469,3 22 240 630,00 11,0 2 446 469,30
б) вновь установленное оборудование - - - 670 720 11,0 73 779,20
ИТОГО (I+II) 85 785 750,5 - 3 717 371,71 86 456 470,50 3 791 150,91

16.5 Расчет численности персонала и расходов на оплату труда
Численность работников является важнейшим количественным показателем, характеризующим трудовые ресурсы предприятия. Она измеряется такими показателями, как списочная, явочная и среднесписочная численность работников. Исходными данными для определения численности работников являются: производственная программа; нормы времени, выработки и обслуживания; номинальный (режимный) бюджет рабочего времени за год; план мероприятий по сокращению затрат труда и т.д.
16.5.1 Расчет нормы времени на обслуживание приборов и средств автоматизации
Схема автоматизации вводится впервые, на данном участке приборов не было, поэтому рассчитываем нормы времени на обслуживание приборов после автоматизации.
Таблица 16.6
Нормы времени на обслуживание приборов после автоматизации
Элементы системы контроля и регулирования Кол-во элементов обслуживаемых в сутки Норма времени на обслуживание элемента в сутки
чел•час Сумма затрат времени в сутки
чел•час разряд
Клапан регулирующий 2 0,08 0,16 5
Клапан отсечной 10 0,08 0,8 5
Щелочемер 3 0,1 0,3 5
Итого 15 1,26

Расчет численности службы КИП и А по обслуживанию.
Суммарные затраты времени в сутки на обслуживание вновь установленных средств и приборов 1,26 чел час.
1) «Явочная численность» по обслуживанию:
, (чел)
где: Кн.р.=1,15 - коэффициент, учитывающий неучтенные работы (непредусмотренные нормой времени);
Ксм - количество смен в сутках;
tсм - продолжительность смены.
(чел)
2) «Списочная численность»:
Чсп = Чя•Кне = 0,06•2,62=0,158(чел.),

где Кне=2,62 коэффициент невыходов.
Так как численность персонала по обслуживанию КИПиА ниже 1, следовательно обслуживание вводимых приборов и средств автоматизации может осуществляться без увеличения штата. Обслуживание средств автоматизации будет производиться дежурными слесарями КИПиА.

16.5.2 Расчет годового фонда оплаты труда котлотурбинного цеха

Под оплатой труда (начисленной заработной платой) понимается вознаграждение, установленное работнику за выполнение трудовых обязанностей.
В ОАО «УРАЛКАЛИЙ» действует положение «Положение о порядке установления окладов работникам ОАО УРАЛКАЛИЙ». Настоящее положение ввелось с целью определения четких и понятных правил установления оклада внутри «вилки» окладов соответствующего грейда.
Слово «грейд» произошло от англ. grade - «располагать по степеням, ранжировать». Впервые этот термин употребил американский эксперт в области консалтинга Эдуард Н. Хэй. В начале 60-х прошлого века он разработал универсальную модель тарифной сетки, которая оценивала вклад каждого сотрудника в результативность работы компании.
Система грейдов - это шкала уровней должностей, принятых в компании.
«Вилка» окладов греда – это диапазон окладов от минимального значения до максимального внутри одного грейда.
Таблица 16.6
Нормативный баланс рабочего времени одного среднесписочного рабочего

п/п

Наименование затрат
Основные рабочие
(непрерывное производство,
12-часовая рабочая смена) Вспомогательные рабочие
(периодическое
производство)
1 Календарное время в год 365 365
2 Выходные дни 182,5 104
3 Праздничные дни - 11
4 Номинальное время (число календарных рабочих дней) 182,5 250
5 Среднее число рабочих дней в месяц 15,21 21,73
6 Планируемые невыходы, в т.ч.: 38 38
очередной отпуск;
отпуск по беременности и родам;
не выходы по болезни;
выполнение государственных обязанностей.
7 Эффективный фонд рабочего времени в днях 144,5 212
8 Эффективный фонд рабочего времени в часах 1734 1738,4

Рассчитаем величину тарифной ставки рабочего 1-го разряда из расчета 2,85*МРОТ:
ТС = 2,85 * МРОТ = 2,85 * 4330 = 12340,5 (руб.)
Непрерывный режим работы :
Тн = Тэф/12
Тн = 1738,4/12=144,87 (час)
(руб.)
Для расчета тарифных ставок используем значения коэффициентов из 18 разрядной тарифной сетки

ТС1р – тарифная ставка первого разряда;
К - коэффициент из 18 разрядной тарифной сетки для n-го разряда.
Полученные данные сведем в таблицу 16.7.
Таблица 16.7
Тарифная ставка для непрерывного режима работы
1р 2р 3р 4р 5р 6р 18р
85,18 110,74 143,96 162,70 184,00 207,85 857,80
Прерывный режим работы :
Тп = Тэф/12
Тп = 1734/12=144,5 (час)
(руб.)
Для расчета тарифных ставок используем значения коэффициентов из 18 разрядной тарифной сетки

ТС1р – тарифная ставка первого разряда;
К - коэффициент из 18 разрядной тарифной сетки для n-го разряда.
Полученные данные сведем в таблицу 16.8
Таблица 16.8
Тарифная ставка для прерывного режима работы
1р 2р 3р 4р 5р 6р 18р
85,40 111,02 144,33 163,12 184,47 208,38 859,99

Далее составим таблицу 16.9 «Расчет фонда оплаты труда работающих котлотурбинного цеха БКПРУ-3 ОАО «Уралкалий».

Таблица 16.9
Форма 3
Расчет фонда оплаты труда работающих котлотурбинного цеха БКПРУ-3 ОАО «Уралкалий»
Профессия Разряд рабочего Часовая тарифная ставка, руб. Численность рабочих Баланс рабочего времени, час. Основная заработная плата, руб. Районный коэффициент (15%), руб. Фонд основной зарплаты с учетом район. коэф., руб. Фонд дополн. зарплаты (9%), руб Общий фонд зарплаты, руб.
1 рабочего, час всех Зарплата по тарифу, руб. премия доплата за работу Итого фонд основной заработной платы, руб
28% ночное время (40%) Праздничные дни (4%)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1.Основные рабочие
Оператор котельной 5 184,00 4 1 734 6 936 1 276 195 357 335 510 478 51 048 2 195 056 329 258 2 524 314 227 188 2 751 503
Машинист-обходчик 4 162,70 4 1 734 6 936 1 128 487 315 976 451 395 45 139 1 940 998 291 150 2 232 148 200 893 2 433 042
Машинист насосных установок 3 143,96 6 1 734 10 404 1 497 757 419 372 599 103 59 910 2 576 142 386 421 2 962 563 266 631 3 229 194
Слесарь-ремонтник 4 162,70 4 1 734 6 936 1 128 487 315 976 451 395 45 139 1 940 998 291 150 2 232 148 200 893 2 433 042
Аппаратчик 3 143,96 5 1 734 8 670 1 248 131 349 477 499 252 49 925 2 146 785 322 018 2 468 803 222 192 2 690 995
Итого 23 13 537 775
2.Дежурный персонал
Лаборант хим. анализа 3 143,96 4 1 734 6 936 998 505 279 581 399 402 39 940 1 717 428 257 614 1 975 042 177 754 2 152 796
Слесарь-электрик 4 162,70 4 1 734 6 936 1 128 487 315 976 451 395 45 139 1 940 998 291 150 2 232 148 200 893 2 433 042
Слесарь-сантехник 4 162,70 4 1 734 6 936 1 128 487 315 976 451 395 45 139 1 940 998 291 150 2 232 148 200 893 2 433 042
Итого 12 7 018 879
3.Ремонтные рабочие
Лаборант хим. Анализа 4 163,12 1 1 738 1 738 283 497 79 379 0 0 362 876 54 431 417 307 37 558 454 865
Лаборант по анализу газа и пыли 4 163,12 2 1 738 3 476 566 993 158 758 0 0 725 752 108 863 834 614 75 115 909 730
Слесарь-ремонтник 6 208,38 2 1 738 3 476 724 327 202 811 0 0 927 138 139 071 1 066 209 95 959 1 162 168
Слесарь-ремонтник 5 184,47 6 1 738 10 428 1 923 622 538 614 0 0 2 462 236 369 335 2 831 571 254 841 3 086 413
Слесарь-ремонтник 4 163,12 3 1 738 5 214 850 490 238 137 0 0 1 088 627 163 294 1 251 922 112 673 1 364 594
Токарь 4 163,12 1 1 738 1 738 283 497 79 379 0 0 362 876 54 431 417 307 37 558 454 865
Электрогазосварщик 5 184,47 4 1 738 6 952 1 282 415 359 076 0 0 1 641 491 246 224 1 887 714 169 894 2 057 608
Электрогазосварщик 4 163,12 1 1 738 1 738 283 497 79 379 0 0 362 876 54 431 417 307 37 558 454 865
Слесарь-электрик 6 208,38 3 1 738 5 214 1 086 490 304 217 0 0 1 390 707 208 606 1 599 313 143 938 1 743 252
Слесарь-электрик 5 184,47 4 1 738 6 952 1 282 415 359 076 0 0 1 641 491 246 224 1 887 714 169 894 2 057 608
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Слесарь-сантехник 5 184,47 3 1 738 5 214 961 811 269 307 0 0 1 231 118 184 668 1 415 786 127 421 1 543 206
Слесарь-сантехник 4 163,12 2 1 738 3 476 566 993 158 758 0 0 725 752 108 863 834 614 75 115 909 730
Итого 32 16 198 903
3. Служащие
Начальник цеха 27550 1 11 27 550 303 050 84 854 0 0 387 904 58 186 446 090 40 148 486 238
Зам.нач-ка цеха 32450 1 11 32 450 356 950 99 946 0 0 456 896 68 534 525 430 47 289 572 719
Механик цеха 21100 1 11 21 100 232 100 64 988 0 0 297 088 44 563 341 651 30 749 372 400
Энергетик цеха 21100 1 11 21 100 232 100 64 988 0 0 297 088 44 563 341 651 30 749 372 400
Мастер по ремонту 19250 2 11 38 500 423 500 118 580 0 0 542 080 81 312 623 392 56 105 679 497
Мастер смены 16800 5 11 84 000 924 000 258 720 369 600 36 960 1 589 280 238 392 1 827 672 164 490 1 992 162
Электроник I категории 18500 1 11 18 500 203 500 56 980 0 0 260 480 39 072 299 552 26 960 326 512
Начальник участка химводоподготовки 22380 1 11 22 380 246 180 68 930 0 0 315 110 47 267 362 377 32 614 394 991
Итого 13 5 196 919
3. Прочий цеховой персонал
Уборщик 1 85,40 2 1 738 3 476 296 855 83 119 118 742 11 874 510 591 76 589 587 180 52 846 640 026
Итого 640 026
Всего 42 592 502

На основании выше рассчитанных данных, сведенным в таблице 16.9 Расчетам фонд оплаты труда ППП котлотурбинного цеха и отчисления на социальные нужды.
ЕСН=ФСС+ФФОМС+ПФ+СНС,
где ФСС - фонд социального страхования
ФФОМС - фонд федерального медицинского страхования
ПФ - пенсионный фонд
СНС - страхование от несчастных случаев (зависит от опасности производства)
ЕСН=2,9%+20%+3,1%+0,6%=26,6%
Так как обслуживание и ремонт оборудования КИПиА парокотельного цеха ведется сторонней организацией, то Компания ОАО «Уралкалий» оплачивает фиксированную оплату в размере 2 736 460 рублей в год.
Таблица 16.10
Состав фонда оплаты труда ППП парокотельного цеха
и отчисления на социальные нужды
№ Категории, профессии (специальности) персонала Кол-во, чел. Годовой ФОТ, руб. Отчисления на социальные нужды, руб. (26,6%)
1 Основные производственные рабочие. 23 13 537 775 3 601 048,05
2 Вспомогательные рабочие, в т. ч. 59 29 054 727,11 7 728 557,41
– дежурный персонал 12 7 018 879,15 1 867 021,85
– ремонтные рабочие 32 16 198 903,45 4 308 908,32
– служащие 13 5 196 918,74 1 382 380,39
– прочие 2 640 025,77 170 246,86
3 Итого 82 42 592 501,73 11 329 605,46
Среднегодовая заработная плата, руб 519420,75
16.6 Расчет калькуляции себестоимости пара
Для выполнения данной работы, в первую очередь, выявляются факторы (нормы расхода и цены ресурсов), вызывающие изменение в прямых затратах на продукцию в результате реализации проекта. Затем устанавливается изменение в затратах по статьям косвенных расходов – общепроизводственных, общехозяйственных, коммерческих.
Общепроизводственные расходы – это расходы на обслуживание и управление производством.
Таблица 16.11
Смета общепроизводственных расходов парокотельного цеха БПКРУ-3
Статья затрат Сумма, руб. Примечание
До автоматизации После автоматизации
1 2 3 4
Амортизация оборудования и транспортных средств 2446469,30 2 464 260,70 таб. 16.5
Амортизация зданий, сооружений, инвентаря 1 270 902,41 1 270 902,41 таб. 16.5
Оплата труда работников 29 054 727,11 29 054 727,11 таб. 16.10
Отчисления на социальные нужды 7 728 557,41 7 728 557,41 таб. 16.10
Материалы 4460540 4460540 Данные цеха
Прочие денежные расходы:
сброс промстоков 144000 144000 Данные цеха
Услуги вспомогательных цехов:
РМЦ 2440150 2440150 Данные цеха
РСЦ 2420167,5 2420167,5 Данные цеха
ЦЭС 1049007,5 1049007,5 Данные цеха
РСЦ(прачечная) 544535 544535 Данные цеха
УПП(зарядка огнетушителей) 92636,45 92636,45 Данные цеха
Услуги подразделений:
УМНиЭ 1248790 1248790 Данные цеха
БКПРУ-2 4680 4680 Данные цеха
БКПРУ-2 РМЦ 96780 96780 Данные цеха
Услуги сторонних организаций:
Теплосервис 10561900 10561900 Данные цеха
ЦТС 2736460 2736460 Данные цеха
АТК 3490455,5 3490455,5 Данные цеха
Корпус-групп 105000 105000 Данные цеха
Сименс 83916 83916 Данные цеха
ПЦСМ 92610 92610 Данные цеха
СМНЦ Лифтсервис 108450 108450 Данные цеха
Подряд 4803000 4803000 Данные цеха
СПНУ 68550 68550 Данные цеха
ИТОГО 75 052 286,18 75 126 066,38 -
На годовой выпуск пара (49,44%) 37 105 850,29 37 142 327,22
На 1 т пара 110,44 110,55 -

Общехозяйственные накладные расходы – это расходы непроизводственного назначения, связаны с функцией руководства, управления, которое осуществляется в рамках предприятия.

Таблица 16.12
Смета общехозяйственных расходов БКПРУ-3
№ п/п Статья затрат Сумма, руб.
1 2 3
1 Доставка работников к месту работы 13 341 133,50
2 Информационные услуги 2 796 891,80
3 Подготовка кадров 8 130 608,50
4 Услуги телефонной связи 1 450 340,10
5 Спец. питание 12 180 737,50
6 Медицинский осмотр 16 797 268,86
7 Страхование имущества 25 934 551,19
Итого 80 631 534,45
На 1 т KCl 223,88

Коммерческие (внепроизводственные) расходы – это расходы, связанные с процессом реализации продукции.
Таблица 16.13
Смета внепроизводственных (коммерческих) расходов БКПРУ-3
№ п/п Статья затрат Сумма, руб.
1 Затраты на доставку и погрузку 134 780 389
2 Затраты на рекламу 16 247 957
3 Затраты на тару и упаковку 7 699 183
4 Командировочные расходы 60 443 054
5 Ж/д тариф 69 292 646
6 Услуги ж/д, связи 38 495 914
Сумма коммерческих расходов за год 326 959 143
На 1 т KCl 907,84

Итоги расчетов косвенных расходов объедим в таблице 16.14, а в таблице 16.15 выполним сравнительный анализ калькуляции на производство пара до и после реализации проекта.
Таблица 16.14
Затраты по комплексным статьям калькуляции до и после реализации проекта
Статьи калькуляции Общая сумма, руб. На 1 тонну пара, руб.
до автоматизации после автоматизации до автоматизации после автоматизации
Общепроизводственные расходы 75 052 286,18 75 126 066,38 110,44 110,55
Общехозяйственные расходы 80 631 533,45 80 631 533,45 223,88 223,88
Коммерческие расходы 326 959 143 326 959 143 907,8 907,8
Итого 482 642 962,63 482 716 742,83 710,24 710,35

Таблица 16.15
Калькуляция на производство пара парокотельного цеха БКПРУ-3
№ п/п Статьи затрат Ед. изм До реконструкции М1=679552 т/год После реконструкции М2=679552 т/год Отклонения (- экономия, +перерасход)
Кол-во (норма расхода) Цена за ед., руб. Сумма на ед., руб. Сумма на весь выпуск, руб. Кол-во (норма расхода) Цена за ед., руб. Сумма на ед., руб. Сумма на весь выпуск, руб.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
(гр. 11–гр.7)
1
Сырье и материалы:
промышленная вода т 0,27 15,17 4,10 2783377,04 0,265 15,17 4,02 2731833,02 -51544,02
2
Возвратные отходы (вычитаются)
конденсат с производства т 0,01 7,23 0,07 49131,61 0,01 7,23 0,07 49131,61 0,00
3

Топливо и энергия на технологические цели
природный газ т 0,17 1152,1 195,86 133095016,06 0,169 1152,1 194,70 132312104,20 -782911,86
электроэнергия кВт*ч 23 2,05 47,15 32040876,80 23 2,05 47,15 32040876,80 0,00
4 Затраты на оплату труда производ. рабочих руб. -- -- 19,92 13 537 775 -- -- 19,92 13 537 775 0,00
5 Отчисления на соц. нужды руб. -- -- 5,30 3 601 048,05 -- -- 5,30 3 601 048 0,00
6 Общепроизводственные расходы руб. -- -- 110,44 75 052 286,18 -- -- 110,55 75126066,38 73780,20
7 Итого цеховая себестоимость руб. -- -- 382,84 260159510,36 -- -- 381,72 259398834,68 -760675,67

16.7 Сравнительный анализ себестоимости пара
Под структурой себестоимости понимается состав калькуляционных статей затрат, их группировка для целей управления себестоимостью, удельный вес статей в себестоимости.
Структуру себестоимости продукции характеризуют показатели:
 доля отдельной статьи в полной себестоимости;
 соотношение между живым и овеществленным трудом;
 соотношение между постоянными и переменными затратами.
В табл. 16.16 выполнен анализ затрат по статьям калькуляции.
Таблица 16.16
Анализ затрат на производство и реализацию продукции
в зависимости от изменения объема производства
№ п/п Статьи расхода До автоматизации После автоматизации Отклонения ()
Стоимость, руб. Удельный вес, % Стоимость, руб. Удельный вес, %
1 2 4 5 8 9 10
1 Переменные, в т.ч. 167 968 401,51 64,56% 167 133 945,63 64,43% -
• природный газ 133 095 016,06 51,16% 132 312 104,20 51,01% -0,15%
• промышленная
вода 2 783 377,04 1,07% 2 731 833,02 1,05% -0,02%
• электроэнергия 32 040 876,80 12,32% 32 040 876,80 12,35% 0,04%
• конденсат с
производства 49 131,61 0,02% 49 131,61 0,02% 0,00%
2 Постоянные, в т.ч. 92 191 108,85 35,44% 92 264 889,05 35,57% -
• Оплата труда
производственных
рабочих 13 537 774,62 5,20% 13 537 774,62 5,22% 0,02%
• Отчисления на соц. нужды 3 601 048,05 1,38% 3 601 048,05 1,39% 0,00%
• Общепроизводс-твенные расходы 75 052 286,18 28,85% 75 126 066,38 28,96% 0,11%
Итого цеховая себестоимость 260 159 510,36 100,00% 259 398 834,68 100,00% -

Производство пара относится к энергоемкому производству т.к. удельный вес больше всего составляет топливо природный газ (51,16%).
16.8 Анализ и оценка изменения себестоимости производства пара по технико-экономическим факторам
Изменение величины себестоимости производства пара зависит от изменения норм и цен на материальные ресурсы (СНЦ):

где: JН - индекс норм на материальные ресурсы;
JЦ - индекс цен на материальные ресурсы;
dМ - доля материальных ресурсов в себестоимости производства (до автоматизации).
В данном проекте рассчитано изменение нормы расхода природного газа и индекс норм составит:

где: НПЛАН – норма расхода природного газа после автоматизации,
НБАЗИС – норма расхода природного газа до автоматизации.

Цена на материальный ресурс (природного газа) в результате автоматизации не изменится и индекс цен составит: JЦ = 1.
Доля затрат на природный газ составит: dМ = 51,16 % = 0,5116
Изменение величины себестоимости от изменения нормы расхода природного газа составит:

Поскольку на изменение себестоимости влияет также увеличение общепроизводственных расходов, рассчитаем изменение величины себестоимости продукции под влиянием общепроизводственных расходов по формуле:

где JV – индекс объёма производства, т.к. объём производства после автоматизации не изменяется, JV = 1,
dУП - доля условно-постоянных (общепроизводственных) расходов в себестоимости (до автоматизации): dУП = 35,44% = 0,3544,
JУП – индекс изменения условно-постоянных (общепроизводственных) расходов, определится:

где ОПРБАЗИС – величина общепроизводственных расходов до автоматизации (руб),
ОПРПЛАН – величина общепроизводственных расходов после автоматизации (руб).

Изменение величины себестоимости под влиянием общепроизводственных расходов составит:
%
Общая величина уменьшения себестоимости пара составит:
ΔСОБЩ = ΔСНЦ + ΔСУП =0,31– 0,0347 = 0,2753 %
Проведём проверку по формуле:

где ССБАЗИС – себестоимость до автоматизации (руб) ,
ССПЛАН – себестоимость после автоматизации (руб) .
Вывод: Себестоимость пара в результате автоматизации уменьшилась на 0,27 %.

16.9. Расчёт себестоимости производства хлористого калия
При производстве хлористого калия пар используется в качестве теплоносителя и включается в себестоимость конечного продукта по статье энергетических затрат. Для того чтобы проследить влияние изменения себестоимости пара на себестоимость конечного продукта, которым является KCl, необходимо составить калькуляцию на производство хлористого калия. Калькуляция представлена в таблице 15.17.
Из таблицы видно, что снижение цеховой себестоимости одной тонны пара на 1,12 рубля приведет к снижению полной себестоимости одной тонны хлористого калия на 2,18 рубля.

 

 

 


Таблица 16.17
Калькуляция на производство хлористого калия обработанного 95%

п/п Наименование статей расхода Ед.
изм. До автоматизации М1=360150 т/год После автоматизации М2=360150 т/год
на единицу на весь выпуск на единицу на весь выпуск
кол-во цена, руб. сумма, руб. сумма, руб. кол-во цена, руб. сумма, руб. сумма, руб.
1 Сильвинит тн 3,3 230,2 759,66 273 591 549,00 3,3 230,2 759,66 273 591 549,00
2 Вспомогательные материалы:
Амины АТ3 кг 0,07 152,5 10,68 3 844 601,25 0,07 152,5 10,68 3 844 601,25
ПАА (аккофлюк А110) кг 0,08 144,5 11,56 4 163 334,00 0,08 144,5 11,56 4 163 334,00
Соляная кислота кг 0,1 0,3 0,03 10 804,50 0,1 0,3 0,03 10 804,50
Гликолевый эфир кг 0,04 39,4 1,58 567 596,40 0,04 39,4 1,58 567 596,40
Метасиликат натрия кг 0,04 32,5 1,30 468 195,00 0,04 32,5 1,30 468 195,00
Флотационный реагент "Оксаль" кг 0,03 67,4 2,02 728 223,30 0,03 67,4 2,02 728 223,30
Смола кг 0,01 14,2 0,14 51 141,30 0,01 14,2 0,14 51 141,30
3 Энергетические затраты:
Электроэнергия кв/ч 73 2,05 149,65 53 896 447,50 73 2,05 149,65 53 896 447,50
Пар т 0,95 382,84 746,54 268 865 477,44 0,95 381,72 744,35 268 079 346,55
Промышленная вода м3 0,65 6,33 4,11 1 481 837,18 0,65 6,33 4,11 1 481 837,18
Топливо (ТУТ) м3 25,6 1,13 28,93 10 418 419,20 25,6 1,13 28,93 10 418 419,20
ИТОГО 1 716,19 618 087 626,07 1714,01 617 301 495,17
4 Зарплата производственных рабочих руб. 48,32 17 401 965,00 48,32 17 401 965,00
5 Отчисления на социальные нужды руб. 12,85 4 628 922,69 12,85 4 628 922,69
6 Общепроизводственные расходы руб. 575,00 207 086 358,00 575,00 207 086 358,00
ЦЕХОВАЯ СЕБЕСТОИМОСТЬ руб. 2352,37 847 204 871,76 2350,18 846 418 740,86
7 Общехозяйственные расходы руб. 226,26 81 489 316,00 226,26 81 489 316,00
ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ СЕБЕСТОИМОСТЬ руб. 2578,63 928 694 187,76 2576,45 927 908 056,86
8 Коммерческие расходы руб. 1068,89 384 959 143,00 1068,89 384 959 143,00
ПОЛНАЯ СЕБЕСТОИМОСТЬ руб. 3647,52 1 313 653 330,76 3645,33 1 312 867 199,86

16.9 Расчет основных экономических показателей производства
16.10.1 Ценовая политика предприятия
Ценовая политика – важнейшая составная часть маркетинговой политики предприятия, состоящая в установлении цен на продукцию, обеспечивающих в рыночных условиях рост его потенциала, и включающая выбор метода ценообразования, разработку ценовой системы, выбор рыночных стратегий и другие аспекты.
ОАО «Уралкалий» имеет упорядоченную методику установления цен на производимые им товары и услуги. Установление цен – сложный и многоэтапный процесс.
Возможные цели:
 обеспечение выживаемости в условиях конкуренции;
 максимизация текущей прибыли;
 завоевание лидерства по показателям доли рынка или качества товаров.
Необходимо выявить спрос на производимый товар, который определяет, прежде всего, верхний уровень цен.
По минимальному уровню цен можно судить об общих (валовых) издержках предприятия, представляющие сумму постоянных и переменных издержек.
Существенное влияние на цену оказывает поведение конкурентов и цены на их продукцию. Для определения цен и качества товаров своих конкурентов предприятие может произвести сравнительные покупки и сопоставить цены и товары между собой. Такое сопоставление позволяет установить средний диапазон своих цен.
Оптимально установленная цена на производимый товар должна полностью обеспечивать возмещение всех издержек по производству и реализации продукции, а также получение нормальной прибыли.
В РФ наибольшее распространение получили две методики:
 первая основывается на принципе средние издержки плюс прибыль;
 вторая – на получении «ценовой прибыли».
Для расчета оптовой цены общая сумма затрат на единицу продукции увеличивается на величину планируемого уровня рентабельности.

где: Z-себестоимость 1 т хлористого калия;
kR-коэффициент рентабельности.
где: R- планируемый размер рентабельности Rmin=0,13

Оптовая цена до автоматизации:

16.10.2 Расчет значения «Точки безубыточности»
Экономическая сущность расчета точки безубыточности состоит в анализе взаимодействия спроса и предложения по конкретному товару предприятия. При этом надо учитывать, что своим предложением предприятие может управлять, так как его формируют затраты предприятия, а спросом управлять невозможно.

где: Тб-значение предела безубыточности;
Ипост – издержки постоянные;
Ипер - издержки переменные.

где: - критический объем производства.
Произведем расчет значения предела безубыточности и критического объема производства для производства до автоматизации.


Диаграмма «Точки безубыточности до автоматизации» представлена на рис. 16.5.

Рисунок 16.5 – Диаграмма «Точки безубыточности до автоматизации»
Произведем расчет значения предела безубыточности и критического объема производства для производства после автоматизации.


Диаграмма «Точки безубыточности после автоматизации» представлена на рис. 16.6.

Рисунок 16.6 – Диаграмма «Точки безубыточности после автоматизации»

16.10.3 Расчет финансово-экономических показателей
Отпускная цена с учетом налога на добавленную стоимость рассчитывается по формуле
где: ЦОПТ – оптовая цена на продукт, руб.;
СНДС – ставка НДС установлена в размере 18%.
Цотп = 4121,69 · 1,18 = 4863,59 руб.,
Выручка от продажи продукта за год определяем по формуле:
,
где: М – максимальный выпуск продукта за год (мощность производства).
В = 4863,59· 360150 =1751623451,13 руб.,
Сумму НДС, который «получен» на весь объем реализации продукта, определяем по формуле:
где
1,18 – коэффициент, учитывающий налог на добавленную стоимость (18%).

Рассчитаем налог на добавленную стоимость, который уплачен поставщикам сырья – НДСупл
Таблица 16.18
Расчет суммы НДС, уплаченного за год поставщикам материальных ресурсов
Наименование затрат До проведения мероприятия После проведения мероприятия - 1 год После проведения мероприятия - 2 год
Стоимость (руб.) НДС 18% Стоимость (руб.) НДС 18% Стоимость (руб.) НДС 18%
Сырье и материалы 273 591 549 49 246 479 273 591 549 49 246 479 273 591 549 49 246 479
Вспомогательные материалы 9 833 896 1 770 101 9 833 896 1 770 101 9 833 896 1 770 101
Энергетические затраты 324 243 762 58 363 877 323 457 631 58 222 374 323 457 631 58 222 374
Техническое топливо 10 418 419 1 875 315 10 418 419 1 875 315 10 418 419 1 875 315
Покупное оборудование --------- --------- 670 720 120 730 --------- --------
ИТОГО 111 255 773 111 234 999 111 114 269

НДС в бюджет определяем по формуле:
,
НДСБ до = 267196797,6– 111 255 773= 155941024,94 руб.,
НДСБ после1год = 267196797,6– 111 234 999= 155961798,90 руб.,
НДСБ после2год = 267196797,6– 111 114269= 156082528,60 руб.
Балансовую прибыль за год определяем по формуле:
,
где Z – полная себестоимость всего выпуска продукции.
БПдо = 1751623451,13 – 1 313 653 330,76 – 111 255 773 =326714347,68 руб.,
БПпосле1год = 1751623451,13– 1 312 867 199,86 – 111 234 999 = 327521252,53 руб.,
БПпосле2год = 1751623451,13– 1 312 867 199,86 – 111 234 999 = 327641982,13 руб.
Налоги на финансовые результаты
На имущество:
, где
СИ – остаточная стоимость ОПФ, руб.;
2,2% – ставка налога на имущество.
НИ ДО = 0,022 · 85785750,50 = 1887286,51 руб.,
НИ ПОСЛЕ 1 ГОД = 0,022 · 86456470,50 = 1902042,35 руб.,
НИ ПОСЛЕ 2 ГОД = 0,022 · 86456470,50 = 1902042,35 руб.
Налогооблагаемую базу налога на прибыль определяем по формуле:
,
НБдо = 326714347,68– 887286,51= 324827061,17 руб.,
НБпосле1год = 327521252,53 – 1902042,35= 325619210,18 руб.,
НБпосле1год = 327641982,13 – 1902042,35= 325739939,78 руб.
Налог на прибыль:

где 20% – ставка налога на прибыль от налогооблагаемой базы (В Пермском крае ставка налога на прибыль на 1.01.2009 г. установлена в размере 20%).
НПдо = 324827061,17* 0,20 = 64965412,23 руб.,
НПпосле1год = 325619210,18 * 0,20 = 65123842,04 руб.,
НПпосле2год = 325739939,78 * 0,20 = 65147987,96 руб.
Чистую прибыль определяем по формуле:
,
ЧПдо = 324827061,17 – 64965412,23 = 259861648,93 руб.,
ЧПпосле1год = 325619210,18 – 65123842,04 = 260495368,15 руб.,
ЧПпосле2год = 325739939,78 – 65147987,96 = 260591951,83 руб.
Рассчитывается величина прироста чистой прибыли в результате реализации
проекта (ΔЧП)
,
где ЧП и ЧПП – чистая прибыль, соответственно, до и после реализации проекта
Рассчитаем величину прироста чистой прибыли-1год:

Рассчитаем величину прироста чистой прибыли-2год:

Рентабельность продаж определяем по формуле:
, где
До автоматизации:

После автоматизации:


16.11 Расчет эффективности инвестиционного проекта
Эффективность инвестиционных проектов характеризуется системой показателей:
- чистый дисконтированный доход (ЧДД) или интегральный доход;
- индекс доходности (ИД);
- срок окупаемости (Ток).
Чистый дисконтированный доход (ЧДД) — разность между доходами за некоторый период времени и затратами, понесенными для получения этих доходов, приведенная к текущей стоимости базового периода.
Расчёт ЧДД — стандартный метод оценки эффективности инвестиционного проекта и показывает оценку эффекта от инвестиции, приведённую к настоящему моменту времени с учётом разной временной стоимости денег. Если ЧДД больше 0, то инвестиция прибыльна, а если ЧДД меньше 0, то инвестиция убыточна.
Срок окупаемости (Ток) — период времени, необходимый для того, чтобы доходы, генерируемые инвестициями, с учетом дисконтирования, покрыли затраты на инвестиции.
Эффективность инвестиций:
(руб)
Rt - результаты, достигаемые на t-том шаге расчета (руб),
З*t – затраты, осуществляемые на том же шаге (руб),
Е – норма дисконта,
К – сумма дисконтированных капвложений (руб),
t – номер шага расчета (t = 0, 1, 2…8),
(лет)
NA –норма амортизации (11%).
Норма дисконта, которая определяется:

r – ставка рефинансирования, объявленная ЦБ РФ на 1.11.2009г. r = 9% = 0,09;
р – поправка на предпринимательский риск в зависимости от целей проекта.
Т.к. целью проекта является расширение возможностей системы автоматизированного управления на базе освоенной техники, то р = 5%.

Дисконтированные кап. вложения определяются по формуле:
(руб)
где Кt – кап. вложения на t-том шаге: т.к. кап. вложения происходят в течение 1 года и t =0, равны затратам на 0 шаге:
(руб)
Чистый дисконтированный доход за 9 лет :

Таблица 16.19
Расчет инвестиционного проекта при Е=14%
Номер временного интервала Капитальное вложение в проект, (К), руб. Прирост чистой прибыли, (ΔЧП) руб. Коэффициент дисконтирования, Дисконтированный прирост, руб. ЧДД от проекта на данном этапе, руб.
0 670720 - 1 - -670720
1 - 633719,21
555771,75 555771,75
2 - 730302,89
561602,92 561602,92
3 - 730302,89
492954,45 492954,45
4 - 730302,89
432339,31 432339,31
5 - 730302,89
379027,20 379027,20
6 - 730302,89
333018,12 333018,12
7 - 730302,89
292121,16 292121,16
8 - 730302,89
256336,31 256336,31
9 - 730302,89
224933,29 224933,29
ИТОГО 670720 6476142,33 3528104,51 2857384,51


Индекс доходности (ИД) :


Итак, ЧДД>0, ИД >1, следовательно, проект эффективен.
Определяем срок окупаемости проекта по формуле:
(год)
где К – сумма дисконтированных кап. вложений, К = 670720 (руб)
ΔПЧ - прирост чистой прибыли в 1-й год после автоматизации (руб):
(года)
Срок окупаемости 1 год 2,76 месяца.


Рисунок 16.7 – График «финансовый профиль проекта»

16.12 Заключение об эффективности проекта
На основании всех расчетов, выполненных в экономической части выпускной квалификационной работы, заполняем табл. 16.20. В таблицу вносятся основные показатели проекта, характеризующие его эффективность.
Таблица 16.20
Сравнительная таблица технико-экономических показателей проекта
№ п/п Наименование показателей Ед.
изм. Значение показателей Откл. (±)
До автоматизации После автоматизации
1 2 3 4 5 6
Показатели по производству пара
1. Производственная мощность КТЦ за год тонн 679552 -
2. Норма расхода природного газа для производства 1 т пара т 0,17 0,169 -0,001
3. Стоимость основных производственных фондов КТЦ млн.
руб. 85,785 86,456 +0,67
4. Реальные инвестиции
в реализацию проекта тыс.
руб. 670,72 -
5. Среднесписочная численность ППП КТЦ чел. 82 -
6. Фонд оплаты труда персонала КТЦ за год млн.
руб. 42,592 -
7. Среднегодовая заработная плата по КТЦ тыс.
руб. 519,421 -
8. Полная себестоимость одной тонны пара, в т.ч. руб. 382,84 381,72 -1,12
- общепроизводственные
расходы руб. 110,44 110,55 +0,11
9. Общие затраты на производство годового выпуска пара млн.
руб. 260,159 259,398 -0,76
Показатели по производству хлористого калия
10. Производственная мощность за год тонн 360150 -
11. Годовые затраты на пар (49,44%) млн.
руб. 268,865 268,079 -0,786
12. Полная себестоимость 1 т
хлористого калия, в т.ч. руб. 3647,52 3645,33 -2,18
затраты на пар руб. 382,84 381,72 -1,12
13. Полная себестоимость
годового выпуска
хлористого калия млн.
руб. 1313,65 1312,86 -0,79
14. Чистая прибыль за год млн.
руб. 259,862 260,495 +0,63
15. Рентабельность продаж % 17,51 17,55 +0,04
16. Точка безубыточности % 80,29 80,22 -0,07
17. Критический объем производства т/год 289156,99 288894,85 -262,15
18. ЧДД тыс. руб. 2857,39 -
19. ИД доли ед. 5,26 -
20. Срок окупаемости лет 1,23 -

ВЫВОД: Внедрение нового оборудования для улучшения регулирования процессом производства пара приводит к уменьшению расхода попутного газа, увеличению стоимости основных производственных фондов, уменьшению затрат на пар и снижению себестоимости готовой продукции.
Заключение
Данный дипломный проект осуществлялся на базе действующего котлотурбинного цеха Третьего Березниковского калийного производственного рудоуправления ОАО «Уралкалий». В ходе работы был изучен технологический процесс получения пара, который рассматривается в разделах: описание технологического процесса, расчет системы оптимального управления процессом, разработка системы автоматизации, проведение активного эксперимента, расчет систем регулирования, моделирование и получение динамических характеристик систем автоматического регулирования, анализ качества переходных процессов, расчет регулирующего органа, техническая реализация САР, разработка системы плавного переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерацией отсеченного Na-катионитового фильтра 2 ступени умягчения воды, монтаж основных средств автоматизации, расчет надежности средств автоматизации, охрана труда и экономическая часть.
Были произведены расчеты автоматических систем регулирования, на базе расчета произведен анализ, сравнение, получены показатели качества переходных процессов, осуществлен расчет регулирующего органа системы регулирования, рассчитаны технико-экономические показатели эффективности автоматизации, составлены схемы: функциональная, внешних проводок, план трасс, схема сигнализации, схема реализации и др.
Применение контроллера SIMATIC S7-300 дает возможность быстро, точно и качественно управлять процессом парообразования.
Раздел экономики является заключительным, поскольку он является показателем эффективности всего проекта в целом.
Таким образом, в результате автоматизации процесса парообразования произойдет снижение нормы расхода попутного газа с 0,17 т до 0,169 т на 1 тонну пара, что приведет к снижению себестоимости 1 т пара с 382,84 руб. до 381,72 руб., а следовательно и полная себестоимость 1 т KCl снизится с 3647.52 руб. до 3645.33 руб. Срок окупаемости внедряемого проекта составит 1 год 2,76 месяца.
Список литературы
1. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности М. Химия, 1985
2. А.С.Клюев Б.В.Глазов А.Х.Дубровский Проектирование систем автоматизации технологических процессов. М.:Энергия, 1980
3. В.А. Шафрановский Справочник наладчика автоматики котельных установок Симферополь «Таврия» 1987
4. Технологический регламент БКПРУ-3 котлотурбинного цеха ОАО «Уралкалий»
5. Информационная документация предприятия
6. М.И. Брейман. Инженерные решения по технике безопасности в пожаро- и взрывоопасных производствах. М., Химия, 1973 год, 344 с.
7. И. Г. Казанцева, Е. И. Леонтьева. Технико-экономические расчёты и обоснования по дипломному проектированию: Методическое указание для студентов специальности 210100 «АТП», Березниковский ф-л Перм. гос. техн. ун-т. Березники, 2007. – 52 с.
8. В.Ф. Беккер, Н.В. Бильфельд, А.Г. Шумихин. Методические указания по дипломному проектированию. Учебно-методическое пособие для студентов специальности «Автоматизация технологических процессов и производств». Пермский гос. техн. университет. Пермь, 2002 год, 39 с.
9. Программные продукты: «LINREG», «Калькулятор передаточных функций», «MatLab».
10. Расчёты по котлоагрегату ГМ 50/14. Белорусский котельный завод
11. Механизм исполнительный электрический однооборотный МЭО-250. Техническое описание и инструкция по эксплуатации
12. Датчики давления Vegabar. Техническое описание и инструкция по эксплуатации
13. Петерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем. Пер. с анг. М.: Мир. 1984. – 264 с.
14. Platform Independent Petri net Editor 3 [Электронный ресурс] // Open Source – 2007 – Режим доступа к программе: http://pipe2.sourceforge.net

 




Комментарий:

Дипломная работа полная!


Рекомендовать другу
50/50         Партнёрка
Отзывы