PYP II: PI-kaaviot Aki Sorsa 25.3.2015 Sisältö Mitä PI-kaaviot ovat ja mihin niitä tarvitaan? Miltä PI-kaavio näyttää? Prosessilaitteiden piirrosmerkit Instrumenttien piirrosmerkit PI-kaavioissa käytettävät kirjainlyhenteet Mittalaitteiden merkitseminen PI-kaavioon Perussäätöpiirien piirtäminen PI-kaavioon 1
Mihin PI-kaavioita tarvitaan? Mitä PI-kaaviot ovat? PI-kaavion tarkoitus on: antaa tiedot prosessin teknillisistä ratkaisuista, esittää putkien ja muiden kuljetusteiden yksityiskohtainen kulku, antaa perustiedot putki-, instrumentointi-, ja asemapiirustusten laatimista varten, antaa tiedot materiaaliluettelon laatimista varten, antaa tiedot kustannusarvion laatimista varten ja olla suunnittelu-, asennus-, kunnossapito- ja käyttöhenkilöstön perehdyttäjänä prosessiin. 2
Mitä PI-kaaviot ovat? P (Process): prosessilaitteet (säiliöt, reaktorit, pumput), näiden väliset kytkennät, putkijohdot ja toimitusrajat; nimellissuureet: paine, lämpötila, putkikoot, säiliöiden tilavuudet, tasokorkeudet, varalaitteiden kapasiteetit, I (Instruments): mittauspisteet, mahdolliset viestilajit, viestien käsittelypaikat ja laitteet, ohjaus- ja säätökohteet ja piirien väliset kytkennät Miltä PI-kaavio näyttää? OULUN YLIOPISTON PILOT-LAITTEISTON PI-KAAVIO H WATER PULP TI PULPER thickener LI PDI PDI LI SC FIC FIC SC H PULP TANK 1 PDI QIC Cs, MCA QIC Cs PDI H PULP TANK 2 FIC PI FIC FI LI PI H TI SCREEN PI H SC WATER TANK FC FSA FIC Passing the mixer PI sampling SI rpm QI Conductivity measurement LI PI MIXER PI 3
Prosessilaitteiden ja instrumenttien piirrosmerkit Putki tai linja Putkien risteys Venttiili Automaattinen Toimilaiteen lisämääritykset H Autom. ja käsi käyttö H Vain käsikäyttö Pumppu Toimilaite venttiilissä Instrumentti Valvomo instrumentti Tehtävä 1 Tutustu jaettuun PI-kaavioon. Etsi siitä prosessilaitteet (reaktorit, säiliöt, pumput) ja toimilaitteet (pumput ja venttiilit). Tutustu myös putkilinjoihin siten, että saat kuvan siitä, miten aine prosessi etenee. 4
Mittalaitteiden merkitseminen PI-kaavioon Sakeuden mittaus ja piirturi Pinnankorkeuden mittaus ja osoitus Käsikäyttöinen venttiili Paineen mittaus ja ylärajahälytys Paine-eron mittaus ja osoitus Virtausnopeuden mittaus ja osoitus Paineen mittaus ja alarajahälytys PI-kaavioissa käytettävät kirjainlyhenteet (1/2) 5
PI-kaavioissa käytettävät kirjainlyhenteet (2/2) Tehtävä 2 Etsi jaetusta PI-kaaviosta kaikki mittaukset. Mitä mitataan? Mistä mitataan? Mitä muita toimintoja mittainstrumentteihin on kytketty? 6
Säätötekniikan peruskäsitteet: Ohjaus ja säätö Ohjaus ei hyödynnä säädettävän suureen mittausta, vaan vaikutusketju on avoin (open-loop control). Säätö perustuu säädettävän prosessisuureen mittaukseen, jolloin vaikutusketju on suljettu (closed-loop control, feedback control). Asetusarvo Ohjaus Säädin Toimilaite Prosessi Lähtösuure Asetusarvo + Poikkeama Ohjaus - Säädin Toimilaite Prosessi Mittaus Lähtösuure Toimilaite, toimimoottori, toimielin TOIMILAITE Ohjaussuure TOIMIMOOTTORI TOIMIELIN Toimisuure Aikaan saa mekaanisen liikkeen, jolla liikutetaan esim. venttiiliä. Erilaiset venttiilit mm. läppä-, pallo ja istukkaventtiilit. 7
Venttiili Esimerkki ohjauksesta Esimerkki: Puuron valmistaminen mikrossa. Ensimmäisen vuoden prosessiteekkari valmistaa puuroa mikrossa. Hän mittaa veden ja hiutaleet lautaselle (ja ehkä myös suolan), laittaa lautasen mikroon, asettaa sopivan tehon ja ajan ja lueskelee lehteä kunnes mikro sanoo ping. Tämän jälkeen opiskelija noutaa maukkaan puuron mikrosta. Opiskelija havaitsee kuitenkin, että silloin tällöin puuro on kiehunut yli tai se on muuttunut erittäin hyväksi tapettiliisteriksi. Miksi näin on päässyt tapahtumaan? Kerättyään prosessitietämystä parin kuukauden ajan puuron valmistus onnistuukin jo erittäin hyvin. Jouluna anoppi on pannut parastaan ja ostanut opiskelijalle uuden astiaston, joka poikkeaa mitoiltaan hänen aikaisemmin käyttämästään astiastosta. Jälleen opiskelija valmistaa tapettiliisteriä tai käyttää aikaa mikron siivoamiseen. Miksi näin? Miten ei-toivottu lopputulos voidaan välttää? 8
Esimerkki säädöstä Esimerkki. Puuron valmistus hellalla. Ensimmäisen vuoden opiskelija valmistaa puuroa hellalla. Hän mittaa veden kattilaan, odottaa, että vesi alkaa kiehua, ja lisää sitten hiutaleet. Hiutaleiden lisäyksen jälkeen opiskelija säätää keittolevyn tehoa. Muutettuaan levyn tehoa opiskelija jää seuraamaan tekemänsä muutoksen vaikutuksia, jotta kiehuminen rauhoittuu ja asettuu sopivaksi. Kun kiehuminen asettuu opiskelija rauhoittuu hetkiseksi tekemään matematiikan tehtäviä, mutta käy aika ajoin tarkistamassa, miten hänen keitoksensa jaksaa. Havaittuaan, että puuro alkaa olla valmista, opiskelija napsauttaa levyn pois päältä ja syö maukasta puuroa. Miksi lopputulos ei vaihtele tässä tapauksessa yhtä paljon kuin mikron käytön yhteydessä? Säätöpiirien merkitseminen PI-kaavioon Pinnankorkeuden mittaus, osoitus, säätö ja turvatoiminta Virtausnopeuden mittaus, osoitus ja säätö JOS KAKSI TAI USEAMPIA LISÄKIRJAIMIA, NE ESITETÄÄN JÄRJESTYKSESSÄ: I R C T Q S Z A, Esim. PICA, LICZ, PCZA 9
Tehtävä 3 Etsi jaetusta PI-kaaviosta kaikki säätöpiirit. Mitä säädetään? Mitä muita toimintoja instrumenteissa on säätöjen lisäksi? Kaskadikytkentä Kaskadikytkennässä on kaksi säädintä sarjassa. Ulompi säädin on primäärisäädin (isäntä) ja sisempi on sekundäärisäädin (orja). Voidaan kompensoida kuljetuksesta johtuvia viiveitä. 10
Suhdesäätö Suhdesäädössä vakioidaan kahden virtauksen suhde. Tällöin säätimeen täytyy lisätä osa, joka laskee asetusarvon. Haluttu suhde lasketaan esimerkiksi: r = F 2 /F 1. Myötäkytkentä Jos prosessihäiriö voidaan mitata, sen vaikutus prosessin lähtöön voidaan kompensoida myötäkytkennällä. 11
Esimerkki kaskadikytkennästä Lämmönvaihtimessa lämmitetään prosessivirtaa höyryllä. Prosessivirran säätö toteutetaan höyryn virtausnopeutta muuttamalla. Kaskadikytkentä Primäärisäädin: lämpötila Sekundäärisäädin: virtausnopeus Esimerkki suhdesäädöstä Hierremassan varastosäiliöön ohjataan sekä hierre että laimennusvesi. Säiliöstä lajitteluun ohjattavan massan ominaisuudet halutaan pitää vakiona. Säätö toteutetaan pitämällä laimennusveden ja massan suhde vakiona. 12
Erilaisten säädintyyppien yhdistäminen Suhdesäädin kaskadisäädön sekundäärisäätimenä. Tehtävä 4 Piirrä seuraavat instrumentoinnit rumpukuivaimen prosessikaavioon. a) Puhaltimet savukaasulinjaan sekä primääri- ja sekundääri-ilmalinjoihin. Poltto- ja savukaasun säätöventtiilit. b) Syöttöruuvin kierrosnopeuden säätö, osoitus ja hälytys (toimilaite moottorikäyttöinen). c) Rummun kierrosnopeuden säätö, osoitus ja hälytys. d) Polttokammion paineen säätö, osoitus ja hälytys. Säätö savukaasua ohjaavan säätöventtiilin avulla. e) Rummun ja tuotteen lämpötilan osoitus. f) Tuotteen kosteuden säätö muuttamalla polttokaasun virtausta (kaskadikytkentä). Kosteuden piirto. g) Polttokaasun ja primääri-ilman suhdesäätö. h) Polttokammion lämpötilan mittaus ja osoitus. Primääri- ja sekundääri-ilman suhdesäätö, jossa polttokammion lämpötilan myötäkytkentä. 13
Rumpukuivain KOTITEHTÄVÄ Pohtikaa, mitä prosessilaitteita tarvitaan tarkastelemassanne prosessissa. Hahmotelkaa nämä PI-kaavionne pohjaksi. Pohtikaa, mitä mittauksia vaaditaan, jotta prosessista saadaan kaikki oleellinen tieto. Piirtäkää nämä mittalaitteet PI-kaavioon. Pohtikaa, mitä suureita prosessista täytyy säätää. Piirtäkää nämä säätöpiirit PI-kaavioon. Lisätkää myös säätöpiirien vaatimat toimilaitteet. Palauttakaa PI-kaavio, jossa näkyy hahmottelemanne prosessilaitteet sekä suunnittelemanne mittalaitteet ja säätöpiirit. Kirjoittakaa kaavionne tueksi myös lyhyehkö raportti, josta käy ilmi pohdintanne ja perustelunne piirtämällenne PI-kaaviolla. Muistakaa merkitä käyttämänne lähteet. 14