Контроль и управление биотехнологическими процессами: Задания к контрольной работе и методические указания по их выполнению

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный технологический университет» (ГОУ ВПО ВСГТУ)

Контроль и управление биотехнологическими процессами Задания к контрольной работе и методические указания по их выполнению для студентов заочного отделения специальности 070100 «Биотехнология»

Составители: А. Ф. Бовкун, Э.В. Зубрицкий

Улан-Удэ Издательство ВСГТУ 2006 1

УДК 658.012. Бовкун А. Ф., Зубрицкий Э.В. Контроль и управление биотехнологическими процессами. Задания к контрольной работе и методические указания по их выполнению для студентов заочного отделения специальности 070100 «Биотехнология» - Улан-Удэ: Издательство ВСГТУ, 2006, 24с.

Данный сборник заданий и методических указаний предназначен студентам специальности 0701 «Биотехнология» заочной формы обучения

Ключевые слова: контроль, управление, биотехнология

2

Задание 1 Имеется три манометра различной точности и с различными пределами измерения. Вычислить для каждого из трех манометров относительную погрешность измерения давления в аппарате на указанном уровне регулируемого параметра. Определить, какой из манометров обеспечит наибольшую точность измерения. Данные для расчетов приведены в таблице 1.

3

Задание 2 Описать принцип действия, устройство, конструктивные особенности приборов, используемых для измерения технологических параметров. 1. Манометрические термометры. 2. Термоэлектрические термометры. 3. Термометры сопротивления. 4. Дилатометрические и биметаллические термометры. 5. Жидкостные измерители давления 6. Деформационные измерители давления 7. Электрические измерители давления и разрежения 8. Счетчики для жидкости и газа. 9. Расходомеры постоянного и переменного перепада давления 10. Измерение влажности газов. Задание 3 Описать назначение, принципы действия, область применения, основные технические характеристики, правила поверки и эксплуатации измерительного комплекса, включающего: 1. Емкостной уровномер с датчиком. 2. Кондуктомер с температурной компенсацией 3. Радиоактивный уровномер 4. Комплект для измерения расхода методом переменного перепада давления. 5. Автоматический потенциометр КСП с термопарой 6. Регулирующий пирометрический милливольтметр с термопарой 7. Логометр с термометром сопротивления. 8. Автоматический мост КСМ с термометром сопротивления. 9. Электронный психрометр ПЭ 10. Полярограф.

4

Задание 4 Имеется емкость, в которой поступающая холодная вода нагревается паром. Подогретая вода откачивается на технологические нужды с помощью насоса. Разработать для этого производственного узла приготовления горячей воды функционально-технологическую схему автоматизации (ФТСА) с соблюдением требований ГОСТ 21.404 – 85 (рис. 1) на условные обозначения приборов и средств автоматизации. На ФТСА отобразить перечисленные ниже средства управления, регулирования и контроля в соответствии с вариантом, а также работу управляющего вычислительного комплекса – ЭВМ и Ремиконта.

5

А На паропроводе и трубопроводах с холодной и горячей водой расположены задвижки с электрическими исполнительными механизмами для управления которыми используются: 1,2. Ключи управления на щите. 3,4. Ключи управления по месту и на щите, причем способ управления - местный или со щита выбирается избирателем управления, расположенном на щите. 5,6. Магнитные пускатели и кнопочные станции по месту. 7,8. Магнитные пускатели по месту и кнопочные станции на щите. 9,10. Магнитные пускатели по месту, а кнопочные станции по месту и на щите. Для всех вариантов на щите предусмотреть световую сигнализацию состояния запорной арматуры – «открыто» или «закрыто» Б Для управления электроприводом откачивающего насоса применяются: 1,2. Установленный по месту магнитный пускатель и на щите кнопочная станция. 3,4. Установленный по месту магнитный пускатель и кнопочные станции по месту и на щите. 5,6. Установленный на щите ключ управления. 7,8. Установленные по месту магнитный пускатель и кнопочная станция. 9,10. установленный по месту ключ управления. В При поддержании и измерениях уровня в емкости используется следующая аппаратура: 1. Поплавковый регулятор уровня воды, установленный на подводящем водоводе. 6

2. Трехэлектродный измеритель уровня, релейный блок на щите и электромагнитный клапан на подводящем водоводе. При этом осуществляется сигнализация значений уровня на щите. 3. Регулятор уровня непрямого действия с регистрацией (Щ) 4. Поплавковое реле уровня с показывающим и регулирующим прибором на щите. 5. Два датчика – электрода с релейным блоком и сигнализацией верхнего и нижнего значений уровня на щите. 6. Сигнализация отсутствия воды в подводящем трубопроводе. 7. Сигнализатор наличия верхнего уровня воды в емкости 8. Тензометрический датчик с измерителем и регистратором уровня воды в емкости (Щ). 9. Емкостной уровнометр (Щ) показывающий и сигнализирующий предельные значения уровня. 10. Ультразвуковой уровнометр, показывающий и сигнализирующий предельные значения уровня (Щ). Г Измерения давления: 1. Измерение давления в трубопроводе с водой (М). 2. Измерение давления пара до и после запорного устройства (М). 3. Измерение давления, создаваемого откачивающим насосом (М). 4. Сигнализация повышенного давления в трубопроводе с водой (Щ). 5. Измерение давлений до и после откачивающего насоса (разности давлений) (Щ). 6. Сигнализация повышенного давления в паропроводе (Щ). 7. Регулирование давления пара с помощью регулятора давления прямого действия типа «после себя». 8. Сигнализация отсутствия воды в подающем трубопроводе. 9. Сигнализация давления «выше нормы», создаваемого откачивающим насосом. 7

10. Сигнализация давления «ниже нормы», создаваемого откачивающим насосом. Д При нагреве воды и поддержании её температуры посредством изменения подачи греющего пара в змеевик производятся контроль и регулирование: 1. Измерение температуры подогретой воды с помощью манометрического измерительного прибора (Щ) с сигнализацией нижнего значения. 2. Измерение температуры с помощью термометра сопротивления и показывающего и регистрирующего моста с сигнализацией «выше нормы», «норма», «ниже нормы». 3. Измерение температуры с помощью термометра сопротивления и логометра с сигнализацией верного значения. 4. Измерение температуры термопарой и пирометрическим милливольтметром с сигнализацией нижнего значения. 5. Измерение и регистрация температуры потенциометром с сигнализацией значений «норма», «выше нормы», «ниже нормы». 6. Регулирование температуры воды в емкости с помощью регулятора прямого действия. 7. Регулирование температуры с помощью пневматического регулятора (Щ) и пневматического исполнительного механизма на паропроводе. 8. Регулирование температуры с помощью установленного на щите логометра с электроконтактной регулирующей приставкой и электрического исполнительного механизма на паропроводе. 9. Регулирование температуры с помощью установленного на щите показывающего и регистрирующего автоматического моста с встроенным пневмарегуляторм. 10. Регулирование температуры манометрическим электроконтактным термометром с релейным блоком (Щ), 8

который управляет электромоторным исполнительным механизмом. Е Измерение расхода и количества израсходованной воды и пара 1. Счетчик израсходованной подогретой воды (М). 2. Регулирование расхода подогретой воды регулятором прямого действия. 3. Измерение и регистрация количества израсходованной подогретой воды (Щ). 4. Измерение расхода подогретой воды (Щ). 5. Измерение и регистрация расхода подогретой воды (Щ). 6. Измерение количества потребляемого пара с помощью показывающего и интегрирующего паромера, установленного по месту. 7. Измерение количества потребляемого пара с помощью нормального сужающего устройства и бесшкального дифференциального манометра установленного по месту, и показывающего, регистрирующего и интегрирующего вторичного прибора, установленного на щите. 8. Регулирование расхода пара с помощью регулятора прямого действия. 9. Регулирование расхода пара с помощью пневматического регулятора установленного на щите. 10. Измерение количества пара с помощью регистрирующего и интегрирующего паромера, установленного по месту. Ж Измерение качества воды. 1,2. Измерение жесткости воды (Щ). 3,4. Измерение концентрации растворимых солей в воде (Щ). 5,6. Контроль наличия солей в воде (Щ) 7,8. Контроль взвешенных примесей в воде (Щ) 9,10. Контроль содержания соединений фенола в воде (Щ).

9

Методические указания по выполнению заданий контрольной работы Задание 1 Абсолютная (∆) и относительная (γ) погрешности измерения могут быть определны путем сравнения показаний измерительного прибора А и точного (истинного, действительного) значения измеряемой величины Ао. В качестве действительного значения может быть, в частности, взято показание более точного (контрольного) прибора. В таком случае упомянутые значения погрешностей могут быть вычислены как: ∆=А – Ао

∆ и γ = А ⋅ 100% о

Однако, на практике, как правило, истинное значение неизвестно. Для оценки вероятного наибольшего значения абсолютной погрешности измерения, допускаемой технически исправным и правильно подготовленным к измерению прибором на его шкале указывается численное значение класса точности, далее обозначаемое символом К. Классы точности принадлежат численному ряду ….. 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; либо ряду …..0,06; 0,1; 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Каждому из выпускаемых промышленностью приборов класс точности назначается по результатам определения абсолютной погрешности на каждом из оцифрованных делений шкалы ∆1; ∆2; … ∆n и последующего сравнения между собой значений относительной приведенной погрешности f1; f2; …. fn, определяемых по формуле fj =

∆j D

⋅ 100%

Где D – некое нормирующее значение (см. ниже)

10

Наибольшее из значений fj сравнивается с элементами одного из вышеприведенных числовых рядов и класс точности назначается по условию К ≥ fmax Нормирующее значение D выбирается в зависимости от вида шкалы прибора. Шкалы приборов подразделяются на односторонние: 0

Ашк

Ашк

0

двусторонние 0

Аmin

Аmax

и односторонние безнулевые Аmax

Amin

0 0 Amin …... ……

Amax

Для шкал односторонних принимается D=|Aшк|, для шкал двусторонних D=|Amax|+|Amin|, для односторонних безнулевых, в зависимости от разъяснения в паспортах конкретных приборов, либо D=|Amax| например, приборы электромагнитной системы, либо D=|Amax|-|Amin|,

11

например, логометры для тепловых измерений, в отдельных же случаях, оговариваемых особо, принимается D=|Aном| например, частотомеры промышленной частоты. Таким образом, максимальное значение основной погрешности измерения для любого деления шкалы может быть определено как ∆max≤

K ⋅D , 100

а максимальная относительная погрешность измеренная с ошибкой, как правило, не превышающей нескольких процентов, может быть определена как γ =

∆ max ⋅ 100% Ao

В тех случаях, когда предстоит выбор наиболее точного прибора из нескольких, сравнение приборов только по их классам точности может привести к ошибке, так как при работе прибора в центральной части шкалы значение относительной погрешности измерения примерно вдвое больше относительной приведенной погрешности данного прибора. При работе же в первой четверти шкалы прибора относительная погрешность измерения уже более чем в четыре раза превышает его относительную приведенную погрешность. Поэтому сравнение следует производить по величине максимального допустимого значения абсолютной погрешности прибора. Для допустимости использования какого – либо из них, если предел относительной погрешности измерения регламентирован, требуется и определение наибольшего значения относительной погрешности измерения каждым из приборов на указанной отметке.

12

Пример: Имеются: прибор класса точности 1,5 с пределами измерения 0÷200оС и прибор класса точности 2,5 с пределами измерения (-50оС)÷(+50оС), предлагаемые для проведения измерений в окрестностях значения 30оС с допускаемой относительной погрешностью не более 7,5%. Какой из предложенных приборов следует предпочесть в данном случае? Определим вначале значение наибольшей допускаемой абсолютной погрешности измерения каждым из приборов: ∆1 ≤

∆2 ≤

К1 D1 1,5 ⋅ 200 = = 3οС 100 100

К 2 D2 2,5 ⋅ [50 + − 50 ] 2,5 ⋅ 100 = = = 2,5οС 100 100 100

и приближенные измерения:

значения

относительной

погрешности

3 ⋅ 100 = 10% > 7,5% 30 2,5 γ2 = ⋅ 100 = 8,33% > 7,5% 30

γ1 =

Из полученных расчетов видно, что, несмотря на несколько более высокую точность второго прибора (кстати, менее высокого класса точности), как первый, так и второй приборы в данном случае неприменимы, так как относительная погрешность измерения любым из них превышает указанное в условии значение 7,5%. Примечание В задании 1 для всех вариантов следует задаться допускаемой величиной относительной погрешности измерения равной 5%. Также, при наличии безнулевой шкалы, определение погрешностей следует провести как по первому, так и по второму вариантам определения диапазона измерений, т.к. в 13

задании подробности оговариваются.

назначения

класса

точности

не

Задания 2,3 Измерения с помощью специальных средств являются основой оценки физических величин, характеризующих технологические параметры процесса, а также показатели состава и качества продукции. Наибольшую группу средств измерений, применяемых в отрасли, составляют измерительные приборы. Информация о технологических параметрах или показателях качества продукции воспринимается первичным измерительным преобразователем и передается на измерительный прибор. Широкое применение находят электрические измерения неэлектрических величин. Это объясняется их преимуществами: возможностью непрерывного во времени измерения и записи измеряемой физической величины, дистанционностью и высокой точностью измерения, широким диапазоном измерений. При выполнении заданий должно быть отдано предпочтение измерительным комплектам, обеспечивающим дистанционное измерение, регистрацию результатов измерения на диаграммной бумаге и при помощи интегратора (там, где это требование вытекает из особенностей функционирования заданного прибора), возможность использования встраиваемых в прибор регулирующих или сигнализирующих приставок. Данным требованиям наиболее полно удовлетворяют автоматические компенсаторы и приборы с дифференциально-трансформаторной системой передачи данных. Предпочтение должно быть отдано комплектам ГСП, при этом обязателно должны быть освещены правила комплектации датчиков с вторичными приборами и требования к соединительной линии, удовлетворение которых гарантирует проведение измерений с объявленной предприятием – изготовителем точностью. Описывая приборы, датчики и другие элементы автоматики обратить особое внимание на принцип действия и применяемые 14

конструкции, а также возможность использования их в биотехнологии. Описание сопровождать упрощенными электрическими схемами, рисунками и эскизами, соблюдая по возможности действующие ГОСТы. Задание 4 Наиболее наглядным способом отображения как требований к автоматизации, так и предполагаемых способов её реализации является функционально – технологическая схема автоматизации (ФТСА). ФТСА содержит упрощенное, без строго соблюдения маштабности, по возможности соразмерное изображение технологического оборудования, где соответствующими направленными линиями показан ход технологического процесса: движение продукта от операции к операции, подача компонент и вспомогательных материалов, подвод энергоносителей, удаление отобранных материалов и отходов и т.д. На технологическом оборудовании и коммуникациях наносятся условные обозначения тех средств автоматизации, которые располагаются непосредственно на оборудовании. Сюда относятся отборные устройства, датчики, регулирующая и запорная арматура с соответствующими исполнительными механизмами, регуляторы прямого действия, электродвигатели электроприводов, измерительные приборы, располагаемые непосредственно на оборудовании (объемные счетчики, ротаметры, жидкостные температуры расширения и т.п.) Условные обозначения средств автоматизации, хотя бы несколько отдаленных от точек контроля объекта управления, выносятся на располагаемые под изображением технологического оборудования полосы, оформляемые в виде прямоугольников с соответствующими заголовками. Отдельные приборы и средства автоматизации, например манометры, кнопки управления, размещенные на технологическом оборудовании, а также вне щитов и пультов управления, изображают в прямоугольнике произвольных 15

размеров с надписью «Приборы местные» или «Приборы по месту». Ниже располагаются один или несколько прямоугольников в зависимости от сложности процесса, степени его насыщенности средствами автоматизации и организации управления, начиная с управления отдельным агрегатом или участком вручную и завершая включением данного производства в состав многоуровневой автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП). Эти прямоугольники могут иметь названия: «Щит управления», либо «Щит оператора», либо «Приборы щитовые», либо «Щит диспетчера», либо «Мнемосхема»; «Центральный диспетчерский пункт» и т.д. В этих прямоугольниках размещают условные обозначения вторичных приборов, аппаратуры управления, сигнальных устройств, вспомогательной аппаратуры. В настоящее время при составлении функциональных схем используется система условных обозначений в соответствии с ГОСТом 21.404 – 85 «Приборы и средства автоматизации. Обозначения условные в схемах автоматизации технологических процессов». Указанный ГОСТ приближен к общемировым стандартам и существенно упрощает задачу за счет радикального сокращения количества условных графических и буквенных обозначений и отражает лишь функциональные возможности аппаратуры, непосредственно используемые в данный схеме. Основные условные обозначения приборов и средств автоматизации по ГОСТ 21.404 – 85 приведены в таблице 2. Измеряемый параметр, назначение и функциональные возможности аппаратуры автоматизации вписываются в условные графические обозначения в виде позиционного кода, составленного из букв латинского алфавита. В графическое обозначение в виде круга или овала вписываются в определенной последовательности латинские буквы, первая из которых всегда обязательно характеризует воспринимаемый параметр, обозначает регулируемую величину, воздействие. На второй позиции, в случаях, когда это потребуется, помещаются 16

символы, уточняющие измеряемый параметр, обычно же далее, иногда начиная со второй позиции, размещаются символы, обозначающие выполняемые прибором или устройством функции. Обозначения многофункциональных приборов не помещаются в круг и требуют его расширения или размещения символов в двух соприкасающихся кругах. Буквенные условные обозначения измеряемых величин и функциональных признаков приборов по ГОСТ 21.404-85 приведены в таблице 3. Таблица 3 отображает порядок следования символов при их размещении внутри условных графических обозначений. Необходимо помнить , что одна и та же буква, но на разных позициях имеет совершенно другой смысл, например:

В первом случае изображен прибор, регистрирующий температуру, во втором же случае показан бесшкальный измеритель радиоактивности с встроенным устройством передачи данных на расстояние. В самом нижнем прямоугольнике, который может иметь название «Операторский пункт», изображаются средства АСУ ТП – регулирующий микропроцессорный контроллер (Ремиконт) и управляющая ЭВМ. АСУ ТП как человеко-машинная система выполняет управляющие, информационные и вспомогательные функции. К основным управляющим функциям АСУ ТП относятся регулирование отдельных технологических параметров; программное логическое управление группой оборудования; оптимальное управление установившимися или отдельными стадиями процесса. Основными информационными функциями АСУ ТП являются централизованный контроль и измерение технологических параметров; косвенное измерение (вычисление) параметров процесса (технико – экономических и др.); формирование и выдача данных оперативному персоналу АСУ 17

ТП; обобщённая оценка и прогноз состояния автоматизированного объекта и его оборудования. К вспомогательным функциям относятся функции, обеспечивающие функционирование технических средств системы, контроль за их состоянием, хранением информации и т.п. Выполняемые вычислительной техникой функции выбираются из правой части таблицы 3 и вписываются в квадратики около Ремиконта и ЭВМ, как указано на рисунке 1. Затем из середины этих квадратиков проводятся горизонтальные линии и на них сносятся функции приборов, расположенных по месту и на щите.

18

Таблица 2

19

Таблица 3

20

Список рекомендуемой литературы Современная, утвержденная в качестве учебников, литература отсутствует, для частичного использования предлагаются следующие, относительно доступные пособия. 1. Евдокимова Г.М., Селевцов Л.И. Автоматизация производственных процессов в мясной и молочной промышленности – М.: Колос, 2000, 240 с., ил. 2. Кулаков М.В.: Технологические измерения и приборы для химических производств: 3-е изд., перераб. и доп. –М.: Машиностроение, 1983, 424с., ил. 3. Лапшенков Г.И., Полоцкий Л.М. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. Технические средства и лабораторные работы. Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Химия, 1988, 288с., ил. 4. Митин В.В., Усков В.И., Смирнов Н.Н. Автоматика и автоматизация производственных процессов в мясной и молочной промышленности – М.: ВО Агропромиздат, 1987, 240с., ил. 5. Петров И.К., Солошенко М.М., Царьков В.А. Приборы и средства автоматизации для пищевой промышленности – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981, 416с., ил. 6. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. Справочные пособие. / Клюев А.С., Глазов Б.В., Дубровский А.Х., Клюев А.А.; под ред. А.С. Клюева – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1990, 464 с., ил. 7. Шкатов Е.Ф. Технологические измерения и КИП на предприятиях химической промышленности. М.: Химия, 1986, 380с., ил.

21

22

23

Редактор Т.А. Стороженко Подписано в печать 20.12.2006. Формат 60х84.1/16. Усл.п.л. 1,39 Тираж 65 экз. Заказ № 292 ________________________________________________________ Издательство ВСГТУ 670013 г.Улан-Удэ, Ключевская, 40 в ©ВСГТУ,2006г. 24