Download - capitolul_1
-
1
1. NOIUNI FUNDAMENTALE DE PROIECTARE I CONDUCERE
AUTOMAT A PROCESELOR CHIMICE
Complexitatea proceselor industriale, corelat cu cerinele nalte de performan,
impune automatizarea ca pe o necesitate obiectiv n contextul globalizrii economiei i a
pieelor de procese i produse. n afara unor cerine de performan specifice viznd
eficiena, calitatea produselor, sigurana n funcionare, optimizarea consumurilor energetice,
sistemele de conducere automat sunt tot mai supuse unor norme specifice de compatibilitate
cu mediul n care evolueaz (protecia mediului).
Pentru a fi automatizate, procesele tehnologice se proiecteaz integrnd problemele de
automatizare i echipamentele de conducere n sisteme cu performane impuse nc din faza
de concepie i proiectare a proceselor. Procesele complet automatizate se proiecteaz integrat
cu soluiile specifice de conducere automat. Proiectarea i conducerea automat a procesului
sunt dou activitii care trebuie trate n paralel, pentru ca un proces tehnologic s ating
niveluri nalte de performan, utilizabilitate i productivitate (Ioan D., 2009).
n acest context, inginerii tehnologi proiectani de procese trebuie s coopereze strns
cu inginerii automatiti proiectani de soluii i echipamente de automatizare.
n cadrul acestui capitol vor fi prezentate noiunile de conducere automat a unui
proces, etapele activitii de proiectarea unui proces tehnologic i structura unui proiect din
domeniul ingineriei chimice.
1.1. Structura sistemelor de conducere automat a proceselor
Conducerea proceselor reprezint activitatea de manipulare sau dirijare a evoluiei n
timp a unui proces n vederea ndeplinirii obiectivelor impuse acestuia. Dac factorul uman
este implicat sau nu conducerea unui proces poate fii manual sau automat. Conducerea
presupune existena unor echipamente de conducere (EC) care s elaboreze i s aplice
comenzi procesului (P). Aceste dou entiti formeaz un sistem de conducere a unui proces
(SCP).
Legtura ntre cele dou entitii este realizat prin intermediul comenzilor elaborate
de ctre echipamentele de conduce pe baza obiectivelor impuse procesului, sistemul de
conducere rezultat fiind un sistem deschis, ilustrat n figura 1.1.
-
2
Fig.1.1. Sistem de conducere deschis.
n cazul n care asupra procesului condus apar alte aciuni, i anume perturbaii, atunci
n elaborarea comenzii asupra procesului se va ine seama i de ieirea procesului. n acest
caz se stabilete o legtur informaional ntre ieirea procesului i echipamentele de
conducere, legtur cunoscut sub denumirea de feedback sau dup efect. Sistemul de
conducere dup efect, ilustrat n figura 1.2, este un sistem nchis.
Fig. 1.2 . Structura de conducere cu aciune feedback.
Principalul avantaj al conducerii cu aciune dup efect este faptul c ieirile
procesului sunt restabilite indiferent de cauza care a determinat alterarea lor. Exist ns i un
inconvenient al aciuni dup efect determinat de faptul c exist intervale de timp n care
rezultatele nu sunt n concordan cu obiectivele procesului.
Acest inconvenient poate fi corectat de ctre sistemul de conducere al procesului dac
la elaborarea comenzii, pe lng obiective sunt avute n vedere i o parte din perturbaii. Se va
obine structura de conducere, ilustrat n figura 1.3., n care se constat existena unei
legturii informaionale de la perturbaii la echipamentele de conducere, legtur cunoscut
sub denumirea de feedforword sau dup cauz.
Fig.1.3. Structura de conducere cu aciune feedforword.
Obiective Ieirea procesului Comenzii Proces Echipament de
conducere
Obiective
Perturbaii
Ieirea procesului Comenzii Proces Echipamente
de conducere
Obiective
Perturbaii
Ieirea procesului Comenzii Proces Echipamente
de conducere
-
3
Principalul avantaj al acestei structuri cu aciune dup cauz, const n aceea c
previne modificarea ieirii procesului. Dac ns se modific o perturbaie care nu este luat n
considerare de ctre echipamentul de conducere, ieirea procesului nu mai este conform cu
obiectivele, iar acest efect nu mai poate fi rejectat, deoarece sistemul de conducere este
deschis n raport cu ieirile procesului.
Dezavantajele celor dou structuri de conducere sunt eliminate dac sistemul de
conducere va combina avantaje celor dou structuri, prezentat n figura 1.4. Sistemul va
aciona dup cauz la modificare perturbaiilor accesibile, iar la modificare altor perturbaii
sau obiectivelor va aciona dup efect.
Fig.1.3. Sistem de conducere cu aciune combinat.
Principale funcii specifice echipamentelor de conducere sunt funcia de msurare,
funcia de comand i funcia de execuie. ndeplinirea celor trei funcii fiind realizat de
urmtoarele trei echipamente de automatizare: traductor, regulator i element de execuie.
Este important de subliniat, faptul c rolul cel mai important ntr-o structur de conducere l
joac regulatorul, el fiind cel care elaboreaz i transmite comanda. Traductorul i elementul
de execuie sunt considerate ca fiind echipamente periferice de proces.
Traductorul are rolul de face cunoscut starea procesului, n timp ce elementele de
execuie implementeaz comenzile elaborate de regulator.
Ansamblul, echipamente de conducere se va numi structura de reglare sau sistem
automat. n contextul conducerii automate pot fi identificate patru categorii de sisteme
automate care permit realizarea urmtoarelor funcii: monitorizarea automat; semnalizarea
automat; reglarea automat; protecia automat. Detalierea acestor sisteme, se va fi detalia
pe parcursul acestei crii.
Obiective
Perturbaii
Ieirea procesului Comenzii Proces Echipamente
de conducere
-
4
1.2. Noiuni fundamentale de proiectare a proceselor
Proiectarea reprezint activitatea de concepere a unor strategii de realizare fizic a
unui produs, ntreprins de ctre o echip de experii. Pentru proiectarea proceselor
industriale echipa de experi este format din cercettori, inginerii tehnologii proiectanii de
procese i inginerii automatiti proiectanii de soluii i echipamente de automatizare.
Principalele activitii ntreprinse de acetia sunt cercetarea, modelarea procesului, proiectarea
i/sau reproiectarea structurilor de reglarea asociate procesului.
O reprezentare schematic a activitii de proiectare, de la obiectiv impus la un proiect
final, este reprezentat n figura 1.1. Este important de subliniat faptul c proiectarea este o
activitate iterativ, ce const n urmtoarele etape i anume:
1. identificarea obiectivelor procesului proiectat, aceast etap presupune urmtoarele
activitii: definirea clar a scopului i naturii procesului proiectat, stabilirea
obiectivelor de calitate, eficien i siguran specifice procesului precum i
identificarea problemelor de fond (background problem). Se fac cercetri privind
cerinele pieei, se verific disponibilitatea materiilor prime i cheltuielile de operare
trecute pentru determinarea unei strategii de optimizarea a funcionrii procesului.
Fig.1.1. Etapele activiti de proiectare a unui proces chimic.
Identificarea obiectivelor
procesului
Generarea soluiilor posibile
Analiza soluiilor posibile
ntocmirea proiectului
prototip
Modificarea i mbuntirea proiectului
Proiectul final
-
5
2. generarea soluiilor posibile const n prezentarea soluiilor gsite n realizarea
obiectivelor stabilite n prima etap . n cadrul acestei etape se va ine cont i de
constrngerile care apar. Acestea se mpart n dou categorii:
- constrngeri externe: timpul de realizare al proiectului, disponibilitatea
echipamentele, personal, condiiile de operare .
- constrngeri interne: restricii economice, metodologii de proiectare, resurse
disponibile, reguli de funcionare n siguran, conformitate cu standardele de
mediu, operabilitatea procesului.
3. analiza soluiilor posibile presupune prezentare avantajelor i dezavantajelor
fiecrei soluii gsite, verificarea dac sunt ndeplinite toate obiectivele stabilite n
cadrul primei etape .
4. ntocmirea proiectului prototip const ntr-o prim faz n desenarea,
dimensionarea, alegerea conductelor i a instalailor tehnologice; desenarea
structurilor de conducere a procesului; selectarea, dimensionarea elementelor de
automatizare; alegerea pompelor, compresoarelor etc. Ce-a de-a doua faz
realizarea fizic a prototipului urmat apoi de testarea performanelor instalaiei,
durabilitatea i utilizabilitatea.
5. modificarea i mbuntirea proiectului const n stabilirea problemelor de
proiectare, ntoarcerea la ce-a de-a doua etap pentru gsirea unor soluii de
rezolvare urmat apoi de verificare soluiilor gsite.
6. prezentarea proiectului final clienilor const n discuii despre cum soluia gsit
este cea mai bun n vederea ndeplinirii obiectivele, discui privind impactul
social al proiectului i compromisurile realizate. Prezentarea documentaiei
proiectului ce conine documente i instruciuni de asamblare, desenelor tehnice,
manuale de operare i ntreinere.
1.3. Structura unui proiect din domeniul inginerie chimice
Proiectele se pot mprii n dou categorii:
proiecte n cadrul cruia se fac modificrile sau completrile ulterioare la instalaiile
industriale existente. Modificrile se datoreaz cerinei de cretere a produciei
pentru a satisface cererea tot mai mare de vnzri sau optimizrii operrii instalaiei.
proiecte pentru procese noi, dezvoltat de la cercetare de laborator, prin instalaie
pilot, la un proces industrial.
-
6
Fig.1.2. Organizarea unui proiect n domeniul ingineriei chimice.
Specificaiile proiectului
Evaluarea iniiala Selectarea procesului tehnologic
Digrama procesului
Bilanul material i energetic Proiectarea i selecia echipamentelor preliminare Diagrama fluxului tehnologic
Estimarea costurilor preliminare
Autorizarea fondurilor
Diagrama conductelor i instrumentelor de control Proiectarea procesului tehnologic:
- Diagrama procesului - Alegerea i selectarea echipamentelor specifice
procesului tehnologic:cuptoare tubulare, uniti auxiliare, reactoare.
- Manualul procesului
- Selectarea materialelor prime.
Selectarea i alegerea instrumentelor de
control
Alegerea pompelor
i a compresoarelor
Proiectarea
vaselor
Proiectarea
cuptoarelor
tubulare
Alte servicii i
utilitare.
Proiectarea
conductelor
Motoare,
componente
electrice,
Proiectarea
structural
Planul
general
Construcii civile: fundaia, drumurile,
canalizrile, etc.
Construirea:
birourilor, camerelor de
comand, laboratoarele, etc.
Estimarea de cost al proiectului
Capitalul autorizat
Achiziii publice
Construirea
Materia prima
specificat
Punerea n funciune Manualul de
operare
Vnzare
-
7
Structura unui proiect din domeniul inginerie chimice, ilustrat n figura 1.2., const
fizic din dou faze:
Faza 1. Proiectarea procesului tehnologic ce implic realizarea diagramei procesului
(flowscheet), alegerea i selectarea echipamentelor specifice procesului tehnologic (cuptoare
tubulare, uniti auxiliare, reactoare, etc.), scrierea manualului procesului de operare. Aceste
activitii fiind responsabilitatea ingineriilor tehnologii proiectanii de procese.
Faza 2. Proiectarea structurilor de conducere automat acest lucru presupune
realizarea schemelor instrumentelor de control, realizarea schemelor electric, selectare i
dimensionarea diafragmelor, a robinetelor de reglare, alegerea pompelor si a compresoarelor
etc.
1.4. Documentaia tehnic a unui proiect
Exist opt tipuri de documente tehnice ce stau la baza unui proiect, i care vor fi detaliate pe parcursul acestui curs.
1. Diagrama procesului (Process Flow Diagram) este un desen ce definete o
reprezentare schematic a procesului.
2. Schema P&ID (Piping and Instrumentation Drawing) este un desen n cadrul cruia
se gsesc toate interconectrile ntre echipamentele de proces i instrumentele
utilizate n reglarea procesului, prin intermediul unui set de simboluri asociate unui
standard internaional.
3. Lista instrumentelor (Instrument List) este o list alfabetic a tuturor aparatelor de
msur i control dintr-o instalaie.
4. Foia de specificaii (Specification Form) reprezint fia tehnologic a fiecrui
aparat din cadrul instalaiei.
5. Diagrama logic (Logic diagram)
6. Diagrama buclei (Loop diagram) un desen care arat interconectarea elementelor
dintr-o bucl de reglare.
7. Planuri de montare ale aparatelor (Installation Details) sunt desene care arat
modul de montare a aparatelor de msur i control la proces.
8. Planul locailor (Location Plan) este un desen n cadrul cruia se gsesc
coordonatele geografice de montare ale fiecrui instrument dintr-o instalaie.
-
8
Cele opt documente se vor elabora secvenial de-a lungul dezvoltri proiectului. n
figura 1.3 sunt ilustrate etapele de dezvoltare secvenial a documentelor.
Fig. 1.3. Etapele de dezvoltare a documentelor.
Punctul de start n elaborarea documentaiei unui proiect este digrama procesului,
realizat de inginerii chimiti. Pe baza acestei digrame se vor dezvolta de ctre inginerii
automatiti schema P&ID. La rndul su schema P&ID st la baza realizri listei de
instrumentaie, fielor de specificaii ale aparatelor, diagrama logic i diagrama buclei. Lista
de instrumentaie i fiele de specificaii stau la baza realizrii celorlalte documente.