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.