Автоматизированная система управления процессом выпаривания

ВВЕДЕНИЕ 3
1. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ 5
1.1 Общая информация и методы выпаривания 5
1.1.1. Конструкции выпарных аппаратов 11
1.2 Архитектура разрабатываемой автоматизированной системы 34
2. РАЗРАБОТКА АППАРАТНОГО КОМПОНЕНТА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ 41
2.1 Описание автоматизированной системы 41
2.2 Разработка функциональной схемы автоматизированной системы 54
2.3 Разработка принципиальной электрической схемы автоматизированной системы 56
3 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 61
3.1 Разработка интеллектуальных алгоритмов системы управления 61
3.2 Оценка эффективности автоматизированной системы 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 69
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 73
ПРИЛОЖЕНИЕ А 76
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 77
ПРИЛОЖЕНИЕ В 78
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 79
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 80
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 81

Весь текст будет доступен после покупки

Процессы выпаривания широко применяются в химической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности для концентрирования растворов, выделения ценных компонентов и утилизации отходов. В условиях растущих требований к энергоэффективности, качеству продукции и безопасности технологических процессов особую актуальность приобретает автоматизация выпарных установок. Современные промышленные объекты нуждаются в интеллектуальных системах управления, способных обеспечивать стабильность параметров процесса, минимизировать энергозатраты и снижать влияние человеческого фактора.
Несмотря на наличие различных типов выпарных аппаратов – с естественной и принудительной циркуляцией, пленочных, вакуумных и многоступенчатых систем – многие действующие установки эксплуатируются в ручном или полуавтоматическом режиме, что снижает их производительность и надежность. В связи с этим разработка комплексной автоматизированной системы для управления процессом выпаривания представляет собой научно и практически значимую задачу.
Объектом исследования является процесс выпаривания в промышленной установке, а предметом исследования – аппаратная и программная составляющие автоматизированной системы управления данным процессом.
Целью выпускной квалификационной работы является разработка и реализация автоматизированной системы управления выпарным аппаратом, обеспечивающей стабильность технологических параметров, энергоэффективность и удобство эксплуатации.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
Провести анализ существующих конструкций выпарных аппаратов и методов выпаривания.
Обосновать архитектуру разрабатываемой автоматизированной системы.
Разработать аппаратный компонент системы, включая функциональную и принципиальную электрические схемы.
Реализовать программное обеспечение с интеллектуальными алгоритмами управления.
Оценить эффективность предложенной автоматизированной системы по ключевым технико-экономическим показателям.
Методы исследования, использованные в работе, включают: системный анализ, моделирование технологического процесса, проектирование по ГОСТ и отраслевым стандартам, программирование микроконтроллерных систем, а также экспериментальную оценку характеристик разработанного решения.
Практическая значимость работы заключается в возможности внедрения разработанной автоматизированной системы на действующих производствах для повышения точности поддержания заданных параметров (температуры, давления, уровня, концентрации), снижения энергопотребления и упрощения обслуживания оборудования. Предложенное решение может быть адаптировано под различные типы выпарных установок и использовано как основа для создания модульных систем автоматизации малого и среднего промышленного оборудования.

Весь текст будет доступен после покупки

1. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ
1.1 Общая информация и методы выпаривания
Выпариванием называется процесс концентрирования растворов, содержащих практически нелетучие или малолетучие вещества, в летучих растворителях, осуществляемый за счет удаления паров растворителя в результате кипения жидкости. Данный процесс широко применяется для концентрирования растворов веществ с высокой температурой кипения, таких как растворы щелочей, солей, ряда минеральных и органических кислот, многоатомных спиртов и других соединений. В качестве примеров можно привести упаривание раствора NaOH для получения каустической соды до концентрации 50–60 % или концентрирование сахарного раствора в сахарном производстве до 65%. В ходе выпаривания может происходить кристаллизация растворенных веществ. В некоторых случаях основной целью процесса является получение чистого растворителя, например, при опреснении морской воды. Раствор, который поступает на выпаривание, именуется исходным, а получаемый в результате концентрированный раствор называется упаренным.
Тепловая энергия, требуемая для кипения раствора, может подводиться различными методами. Тем не менее, наибольшее распространение в качестве греющего агента получил насыщенный водяной пар, который называют греющим или первичным. Пар растворителя, образующийся при кипении раствора в аппарате, носит название вторичного пара. Этот вторичный пар может быть повторно использован в качестве греющего агента в многокорпусных выпарных установках или же направлен на сторонние технологические нужды, и в этом случае он именуется экстра–паром.
Конструктивно выпарные установки включают в себя не только выпарные аппараты, но и разнообразное вспомогательное оборудование, такое как конденсаторы, теплообменники, насосы и другие устройства. Основными элементами выпарного аппарата являются: греющая камера, предназначенная для нагрева раствора до необходимой температуры; испарительная (кипятильная) камера, где происходит собственно процесс испарения (кипения) растворителя; сепаратор, обеспечивающий отделение капель жидкого раствора от образующихся паров; а также устройства, обеспечивающие циркуляцию и транспортировку раствора внутри аппарата. Некоторые части аппарата могут быть совмещены и выполнять несколько функций. Например, нагрев и испарение часто осуществляются в одном и том же объеме, который обычно называют греющей камерой. Исходный раствор, как правило, подается в аппарат уже предварительно нагретым до температуры кипения. Если это не так, то в греющей камере раствор нагревается до температуры кипения и затем поступает в испарительную камеру, где и происходит его кипение. Образовавшийся пар растворителя проходит через сепаратор, в котором от него отделяются увлеченные капли жидкости, и затем выводится из аппарата в виде вторичного пара. Для подвода тепла в греющую камеру обычно используется греющий водяной пар. Разность температур между этим греющим агентом и кипящим раствором носит название полезной разности температур. При этом температура кипения самого раствора всегда превышает температуру вторичного пара на величину, называемую температурными потерями.
Способы выпаривания классифицируются в зависимости от различных критериев.

Весь текст будет доступен после покупки

1) Arduino-Based Control Systems for Industrial Processes // Sensors. – 2021. – Vol. 21, № 15. – Art. 5120.
2) Automation of Evaporation Processes: A Review of Control Strategies // Computers & Chemical Engineering. – 2024. – Vol. 182. – Art. 108567.
3) Displays with Arduino: Modern Implementation Guide // Arduino Project Hub [Электронный ресурс]. – 2023. – URL: https://projecthub.arduino.cc.
4) Electromagnetic Valves: Selection and Application in Process Automation // Festo Automation Handbook [Электронный ресурс]. – 2023. – URL: https://www.festo.com/automation-handbook.
5) Evaporator // ScienceDirect [Электронный ресурс]. – URL: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/evaporator.
6) Falling Film Evaporators: Advances in Design and Efficiency // Thermal Science and Engineering Progress. – 2020. – Vol. 19. – Art. 100623.
7) Forced Circulation Evaporators in Industrial Practice // Process Safety and Environmental Protection. – 2021. – Vol. 152. – P. 112–125.
8) Geankoplis C. J. Transport Processes and Separation Process Principles / C. J. Geankoplis, A. A. Hersel, D. H. Lepek. – 5th ed. – Boston : Pearson, 2022. – 1088 p.
9) Industrial Actuators: Electric Valve Actuators (AMV-E Series and Modern Equivalents) // Danfoss Product Catalog [Электронный ресурс]. – 2024. – URL: https://www.danfoss.com/en/products/actuators/.
10) Industrial Temperature Sensors: RTD and Thermocouple Selection Guide // Omega Engineering [Электронный ресурс]. – 2024. – URL: https://www.omega.com/en-us/resources/temperature-sensors.
11) IPC-2221B. Generic Standard on Printed Board Design. – Bannockburn : IPC, 2022. – 118 p.

Весь текст будет доступен после покупки