На рис. 16.10 приведена функциональная схема предприятия пищевой промышленности. На таких объектах значимыми технологическими операциями являются:
- перемещение (транспортирование) продуктов и сырья;
- накопление (складирование);
-сортировка и контроль материалов на складах.
Для механизации таких работ используются различные механизмы: конвейеры, шнеки, подъемные устройства и др.
Для складских помещений (емкостей, бункеров) основной показатель – удерживающая способность или массовый запас материала М(t), определяемый как
(16.6)
где 
= dM/dt - результирующий массовый расход матери-ала (т/сут).
|
| Рис. 16.10 – Функциональная схема предприятия пищевой промышленности: Т – транспортное средство; ТМ – транспортные механизмы; СС – склады сырья; ТЦ1, ТЦ2 – технологические цехи; ОЗ – оперативный запас сырья и полуфабрикатов; СГП – склады готовой продукции |
Входящая в (16.6) сумма
,
где 
- массовое поступление материала (сырья);
- массовый расход; М0 - начальный запас материала.
В операторной форме выражение (16.6) примет вид:
. (16.7)
Уравнения (16.6) и (16.7) являются математической моделью процесса накопления материалов на складе.
Очевидно, что для бесперебойной работы предприятия в течение суток необходимо выполнить условие, если 
, (т. е. сырье не поступает), то
,
где n – количество суток.
Для поддержания постоянства запаса материала на складе (в емкости) необходимо, чтобы
.
Тогда M(t) = M0. Предприятие работает ритмично.
Склад (емкость) как ОУ имеет передаточную функцию
, (16.8)
где 
- постоянный коэффициент (м3, кг, m); 
- постоянная времени, зависящая от скорости расхода материала.
Для транспортных механизмов как запаздывающих звеньев
, (16.9)
где 
- производительность (м 3/с; кг/с); 
- время задержки (запаздывания).
17 Технико-экономическая эффективность
автоматизации ТП и АСУТП
17.1 Эксплуатационные требования к приборам и средствам автоматизации
К приборам и средствам автоматизации предъявляется целый ряд требований, вытекающий из условий их работы. Здесь можно выделить: общие для всех средств автоматики требования; требования, обусловленные параметрами рабочих сред; требования, вытекающие из характеристик окружающей среды.
Общие требования
Диапазон настроек – величина, характеризующая пригодность данного прибора, устройства или системы для конкретных условий его работы. Как правило, диапазон настроек выбирается несколько более широким, чем это требуется для конкретных условий.
Погрешность настройки (выходной величины, параметра) – максимальное отклонение выходной величины или параметра от номинального значения.
Стабильность настройки – способность прибора сохранять настройку с течением времени.
Требования к питанию определяют потребляемую мощность прибора, величину и допустимые отклонения питающего напряжения, величину потребляемого тока, несимметричность фаз и др. При несоответствии возможностей питающей сети и требований к питанию принимают специальные меры, такие как стабилизация напряжения; установка дополнительных (аварийных) источников питания, резервирование и др.
Устойчивость к механическим воздействиям,которые передаются приборам и устройствам автоматики через места их крепления от работающих механизмов. В зависимости от предъявляемых требований эти приборы делятся на вибропрочные, виброустойчивые, ударопрочные и удароустойчивые.
Вибро - и ударопрочными называют приборы, сохраняющие свои параметры после вибрационного или ударного воздействия.
К вибро - и удароустойчивым относятся изделия, сохра-няющие свои параметры при длительных вибрационных или ударных воздействиях.
Допустимые величины механических воздействий указываются в технических характеристиках приборов.
Требования, обусловленные свойствами рабочих сред
Рабочие среды, с которыми контактируют приборы и устройства автоматики (датчики, регулирующие органы), могут существенно влиять на их эксплуатационные свойства. Поэтому при их выборе обязательно учитывается ряд требований, определяющих эксплуатационные свойства этих приборов и устройств.
Химическая устойчивость – это способность прибора нормально функционировать в химически активной среде, где он должен эксплуатироваться. Здесь подразумевается устойчивость к коррозии, способность противостоять изменению физико-механических свойств материалов деталей приборов (твердости, упругости, электрических свойств и др.) в условиях агрессивного действия рабочей среды.
Предельное давление рабочей среды обуславливает требования к прочности корпусов и герметичности конструкций приборов.
Предельная температура или предельный диапазон температур рабочей среды обуславливает особые требования к температурной устойчивости конструкции приборов и к температурной стабильности их параметров и выходных величин.
Требования, вытекающие из характеристик
окружающей среды
Для большинства технических средств автоматизации окружающей средой является воздух помещений и тех мест, где установлено и работает автоматизированное оборудование. Поэтому основными характеристиками окружающей среды будут являться параметры микроклимата этих мест.
Атмосферное давление может влиять на приборы, измеряющие давление или разрежение по отношению к давлению окружающего воздуха. К таким, например, приборам можно отнести: реле давления, манометрические датчики уровня и температуры. Колебания атмосферного давления могут являться причиной неточной работы датчиков и других устройств.
Температура воздуха в ряде случаев может изменяться в значительных пределах, например, на открытых площадках – от - 40°С до + 40°С и больше; в неотапливаемых складах от - 20°С до + 30°С и так далее. Эти колебания могут быть причиной нарушения настроек температурно-зависимых приборов и систем. В устройствах и системах, эксплуатирующихся в диапазоне значительных изменений температур окружающего воздуха, такие условия должны быть учтены.
Влажность воздуха, обычно подразумевается относительная влажность, может изменяться от 20% до 100%. В некоторых случаях, при высокой влажности, на приборах может появляться роса или иней, что негативно может сказываться на работе приборов. Для нормальных условий относительная влажность воздуха не должна превышать 80…85%. Для условий с более высокой влажностью необходимо применять специально изготовленные приборы – герметизированные, покрытые влагостойкими эмалями, в «тропическом» исполнении и др.
Запыленность и микробная обсемененность атмосферного воздуха могут также оказывать существенное влияние на приборы автоматики. Атмосферная пыль, пыль, образующаяся в процессе переработки сырья и в процессе износа трущихся поверхностей машин и агрегатов, способна оседать на открытых поверхностях и проникать в закрытые негерметичные устройства и приборы. Осевшая пыль приводит к изменению электропроводящих свойств изоляции, вызывает ухудшение контакта в коммутирующих устройствах, изменяет оптические свойства фотоприборов и другие нежелательные явления. Основными мерами защиты от пыли являются: герметизация оборудования или отдельных приборов, установка фильтров в системах вентиляции оборудования, улавливание производственной пыли и другие мероприятия.
Для ряда условий и приборов, например холодильного оборудования, где могут образовываться взрывоопасные смеси холодильного агента с воздухом, необходимо принятие специальных мер, таких как: взрывобезопасное исполнение приборов и оборудования; установка приборов и оборудования, в которых используются или могут образовываться взрывоопасные смеси в специально оборудованных помещениях.
Оборудованию и приборам взрывобезопасного исполнения присваивается своя категория, которая должна быть указана в технической документации на прибор и указана непосредственно на его корпусе.
Требования к взрывоопасному электрооборудованию изложены в «Правилах устройства электроустановок».
17.2 Надежность средств автоматизации
Надежность характеризует способность автоматизи-рованного устройства или средства автоматизации функци-онировать в течение заданного интервала времени.
Основу количественной оценки надежности составляет понятие отказ, под которым понимают неисправность, без устранения которой автоматизированное устройство не может функционировать. Отказы бывают внезапные и постепенные.
Внезапный отказ имеет случайный характер и происходит по следующим причинам: производственный брак, дефекты монтажа, существенное изменение условий работы, ошибки персонала и др.
Постепенный отказ возникает вследствие старения и износа деталей и носит систематический (неизбежный) характер. Появление таких отказов предсказуемо и их можно предотвращать путем проведения соответствующих профилактических и ремонтных работ.
Основным количественным показателем надежности отдельного элемента устройства или системы автоматики является вероятность безотказной работы
(17.1)
где λ – средняя частота отказов; τ – заданное время безотказной работы.
Формула (17.1) выражает экспоненциальный закон распределения вероятности.
Средняя частота отказов λ = 1 / Т, где Т – среднее время наработки на отказ, равное среднему времени безотказной работы устройства или системы между двумя соседними отказами.
Из выражения (13.1) следует, что Pi < 1 при λ > 0 и τ > 0. Вероятность безотказной работы уменьшается с ростом заданного времени безотказной работы τ и возрастает с увеличением среднего времени Т наработки устройства или системы на отказ.
Вероятность Pi безотказной работы отдельных элементов может быть использована для вычисления вероятности P0 безотказной работы всей системы.
При последовательном соединении п элементов
(13.2)
При параллельном соединении п элементов
(13.3)
Сравнивая выражения (17.2) и (17.3), находим, что при последовательном соединении элементов P0 < Pi. В то же время при параллельном соединении элементов P0 > Pi .
Как видно из выше приведенных рассуждений, имеется несколько важных для практики путей повышения надежности средств автоматизации, таких как:
- уменьшение заданного времени безотказной работы τ за счет проведения профилактических, ремонтных и других работ, в том числе и замена отработавших свой срок, элементов;
- использование элементов с большим средним временем наработки на отказ Т;
- уменьшение по возможности числа последовательно соединенных элементов;
- резервирование элементов путем их параллельного соединения, так как при параллельном соединении элементов, выполняющих одну и ту же функцию, вероятности P0 безотказной работы всей системы увеличивается.
17.3 Экономическая эффективность автоматизации
Автоматизация призвана обеспечивать рост производительности труда при одновременном снижении стоимости производимой продукции. В общем случае экономическую эффективность автоматизации оценивают по совокупности энергетического, трудового, структурного и технологического эффектов. При этом основными показателями оценки экономической эффективности являются годовая экономия и срок окупаемости капиталовложений прибылью.
Годовой экономией называют разность между расходами на эксплуатацию аналогичных по назначению и конструкции установок, неавтоматизированных, автоматизированных или с разными степенями автоматизации и рассчитывают по формуле:
Э = РН – РА, (17.4)
где РН – эксплуатационные расходы на неавтоматизированную или менее автоматизированную установку; РА – эксплуа-тационные расходы на автоматизированную или более автоматизированную установку.
Эксплуатационные расходы учитывают статьи эксплуатационных расходов, которые изменяются в результате автоматизации. К ним относятся: заработная плата, энергоносители, охрана труда, амортизация средств автоматизации и их ремонт и другие расходы, изменившиеся в результате автоматизации.
Срок окупаемости – это интервал времени, за который капитальные затраты на автоматизацию компенсируются экономией эксплуатационных расходов. Его рассчитывают по формуле:
О = К Э - 1, (17.5)
где К - капитальные затраты на автоматизацию.
Величина срока окупаемости позволяет оценить экономическую целесообразность капитальных затрат на мероприятия по автоматизации.
Суммарный экономический эффект автоматизации будет также включать улучшение качества выпускаемой продукции, экономию сырьевых материалов, уменьшение естественной убыли материалов при хранении, экологические и социальные аспекты и др. Учесть эти показатели трудно, поэтому они могут составлять положительный запас расчета.
ЛИТЕРАТУРА
1. Карпин, Е. Б. Автоматизация технологических процессов пищевых производств: учебное пособие / Е.Б. Карпин, М.М. Солошенко, Л.А. Широков и др.; под редакцией Е.Б. Карпина. – М.: Пищевая промышленность, 1977. – 432 с.
2. Фурсенко, С.Н. Автоматизация технологических процессов: учебное пособие / С.Н. Фурсенко, Е.С. Якубовская, Е.С. Волкова – Мн.: БГАТУ, 2007. – 592 с.
3. Богданович, П.Ф. Автоматика, автоматизация и АСУТП: курс лекций. Для студентов инженерно-технологического факультета / П.Ф. Богданович – Гродно: ГГАУ, 2009. – 114 с.
4. Богданович, П.Ф. Автоматика, автоматизация и АСУТП: методические указания по выполнению курсовой работы. Для студентов инженерно-технологического факультета / П.Ф. Богданович, Д.А Григорьев, Потреба, В.В. – Гродно: ГГАУ, 2009. – 32 с.
5. Бородин, И.Ф. Автоматизация технологических процессов / Бородин, И.Ф., Судник, И.А. – М.: КолосС, 2004. – 344 с.
6. Выгодский, М.Я. Справочник по высшей математике / Выгодский, М.Я. – М.: Наука, 1977. – 872 с.
7. Касаткин, А.С. Электротехника: учебник / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. – 9-е изд., стер. – М: Академия. 2005. – 544 с.
8. Коломиец, А.П. Электропривод и электрооборудование / Коломиец А.П., Кондратьева Н.П., Владыкин И.Р., и др. – М.: КолосС, 2006. – 328 с.
9. Ужанский, В.С. Автоматизация холодильных машин и установок / В.С. Ужанский. – М.: Пищевая промышленность, 1973. – 296 с.
10.Шабурова, Г.В. Практикум по оборудованию и автоматизации перерабатывающих производств / Шабурова, Г.В., Зимняков, В.М. Курочкин, А.А. и др. – М.: КолосС, 2004. – 183 с.
11. Электротехника: курс лекций. Для студентов инженерно-технологического факультета / П.Ф. Богданович, Д.А. Григорьев. – Гродно: ГГАУ, 2010. – 198 с.
| ОГЛАВЛЕНИЕ | ||||
| Часть 1 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА | ||||
| Линейные электрические цепи постоянного тока | ||||
| 1.1 | Электрическая цепь и электрические величины | |||
| 1.2 | Схемы электрических цепей | |||
| 1.3 | Элементы схем и их параметры | |||
| 1.4 | Измерение электрических величин | |||
| 1.5 | Электроизмерительные приборы | |||
| 1.6 | Электрическое измерение неэлектрических величин | |||
| 1.7 | Устройство и принцип действия машин постоянного тока | |||
| 1.8 | Генераторы постоянного тока и их характеристики | |||
| 1.9 | Электрические двигатели постоянного тока и их характеристики | |||
| Линейные электрические цепи однофазного и трехфазного синусоидального тока | ||||
| 2.1 | Способы представления синусоидальных электрических величин | |||
| 2.2 | Комплексный метод представления электрических величин | |||
| 2.3 | Основные законы электрических цепей | |||
| 2.4 | Методы расчета линейных электрически цепей | |||
| 2.5 | Мощность в цепи синусоидального тока | |||
| 2.6 | Трехфазные электрические цепи | |||
| 2.7 | Общие сведения о нелинейных элементах и цепях | |||
| 2.8 | Выпрямление переменного тока | |||
| Трансформаторы | ||||
| 3.1 | Основные сведения о магнитных цепях | |||
| 3.2 | Закон полного тока для магнитной цепи и свойства ферромагнитных материалов | |||
| 3.3 | Общие сведения о трансформаторах | |||
| 3.4 | Схема замещения однофазного трансформатора | |||
| 3.5 | Режимы работы трансформаторов | |||
| Электрические машины переменного тока | ||||
| 4.1 | Устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя | |||
| 4.2 | КПД, вращающий момент и характеристики трехфазного асинхронного двигателя | |||
| 4.3 | Пуск, торможение и регулирование скорости вращения асинхронных двигателей | |||
| 4.4 | Устройство и принцип действия синхронных электрических машин | |||
| 4.5 | Вращающий момент и характеристики синхронных электродвигателей | |||
| 4.6 | Электрические двигатели переменного тока малой мощности | |||
| Аппаратура управления и защиты силовых и вспомогательных цепей | ||||
| 5.1 | Коммутационные устройства и аппараты | |||
| 5.2 | Защитные аппараты | |||
| 5.3 | Устройства защиты от поражения электрическим током | |||
| Электропривод технологического оборудования предприятий пищевой промышленности | ||||
| 6.1 | Общие сведения об электроприводе машин и установок пищевых производств | |||
| 6.2 | Режимы работы электропривода | |||
| 6.3 | Нагрев и охлаждение электродвигателей | |||
| 6.4 | Управление электроприводом | |||
| Электротехнология и ее использование в проиводственных процессах пищевой промышленности | ||||
| 7.1 | Общие сведения | |||
| 7.2 | Электронагрев и способы его реализации. Элементные и электродные нагреватели | |||
| 7.3 | Использование энергии оптических излучений | |||
| 7.4 | Электрохимия и ее использование | |||
| Технические основы электробезопасности | ||||
| 8.1 | Особенности и факторы опасности поражения электрическим током | |||
| 8.2 | Классификация электроустановок и помещений по степени опасности поражения электрическим током | |||
| 8.3 | Защитные меры в электроустановках | |||
| Часть 2 АВТОМАТИКА И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ | ||||
| Общие сведения об автоматизации технологических процессов пищевых производств | ||||
| 9.1 | Основные понятия и определения автоматики | |||
| 9.2 | Направления автоматизации ТП пищевых производств | |||
| 9.3 | Классификация автоматических средств управления | |||
| 9.4 | Технические средства для построения систем регулирования и управления | |||
| Измерительные преобразователи и приборы для измерения параметров состояния сред | ||||
| 10.1 | Элементы метрологии и техники измерений в автоматике | |||
| 10.2 | Средства измерений и контроля в автоматике | |||
| 10.3 | Измерительные преобразователи и устройства - как элементы автоматических систем | |||
| 10.4 | Датчики | |||
| Усилительные устройства в автоматике | ||||
| 11.1 | Общие сведения об усилительных устройствах | |||
| 11.2 | Электромеханические и магнитные усилители | |||
| 11. 3 | Гидравлические и пневматические усилители | |||
| 11.4 | Электронные усилители и их элементная баз | |||
| Программируемые логические контроллеры | ||||
| 12.1 | Виды ПЛК | |||
| 12.2 | Элементы цифровых устройств | |||
| Автоматические системы и регуляторы | ||||
| 13.1 | Задача автоматического регулирования | |||
| 13.2 | Математическое описание систем и элементов автоматики | |||
| 13.3 | Типовые динамические звенья | |||
| 13.4 | Анализ систем и элементов автоматики | |||
| 13.5 | Устойчивость САР | |||
| 13.6 | Качество процесса регулирования | |||
| 13.7 | Автоматические регуляторы | |||
| Исполнительные механизмы и регулирующие органы | ||||
| 14.1 | Гидравлические и пневматические ИМ | |||
| 14.2 | Электрические исполнительные механизмы | |||
| 14.3 | Регулирующие органы, их типы, конструктивное исполнение и характеристики | |||
| Объекты управления и их свойства | ||||
| 15.1 | Типовые технологические процессы (ТП) пищевой промышленности - как объекты автоматизации | |||
| 15.2 | Параметры и характеристики объектов управления | |||
| Автоматизированные системы управления техно-логическими процессами пищевой промышленности | ||||
| 16.1 | Назначение, цели и задачи АСУТП | |||
| 16. 2 | Цифровые автоматические системы | |||
| 16.3 | САУ при неполной начальной информации | |||
| 16 4 | Автоматизация дискретных технологических процессов | |||
| 16.5 | Автоматизация непрерывных ТП | |||
| Технико-экономическая эффективность автоматизации ТП и АСУТП | ||||
| 17.1 | Эксплуатационные требования к приборам и средствам автоматизации | |||
| 17.2 | Надежность средств автоматизации | |||
| 17.3 | Экономическая эффективность автоматизации | |||
| ЛИТЕРАТУРА | ||||
Учебное издание
Богданович Петр Францевич
Григорьев Дмитрий Алексеевич
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ТЕХНИЧЕСКИЕ
СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
Учебное пособие
Ст. корректор Е.Н. Гайса
Компьютерная верстка: П.Ф. Богданович
Подписано в печать 27.05.2015
Формат 60х84/16. Бумага офсетная.
Печать Riso. Усл. печ. л. 18,14. Уч.-изд. л. 16,92
Тираж 110 экз. Заказ 3821
Издатель и полиграфическое исполнение:
Учреждение образования
«Гродненский государственный аграрный университет»
Свидетельство о государственной регистрации издателя, изготовителя,
распространителя печатных изданий
№ 1/304 от 22.04.2014.
Ул. Терешковой, 28, 230008, г. Гродно