Автоматизация сушильного барабана

Задание № 1

Объектом управления (ОУ) является процесс стабилизации соотношения «газ-воздух» в горелке сушильного барабана.

Контур стабилизации Газ-воздух обеспечивает достижение заданных условий сжигания газа, т. е. экономичность и создание наилучших условий между сгоревшим газом и ИМ. Численное соотношение «газ-воздух» определяется коэффициентом расхода, где числитель находиться количество воздуха на горение, а в знаменателе теоретическое количество воздуха необходимо для полного сгорания газа.

Для изменения расходов газа и воздуха можно использовать метод изменения расхода газа по перепаду давления на сужающем устройстве.

Уравнение движения объекта управления (ОУ) характеризуется обыкновенным неоднородным дифференциальным уравнением первого порядка:

(1).

где.

У (t) — расход газа;

X(t) — температура топочных газов;

Т_ОУ - постоянная времени объекта управления, Тоу = 32,8 с;

- время запаздывания, = 0 с;

К_ОУ — коэффициент передачи объекта управления, kоу = 1,28 °С/%;

Анализ динамических свойств ОУ производим по временным и частотным характеристикам.

Временные и частотные характеристики объекта управления определяем в следующей последовательности:

1. Преобразуем исходное уравнение (1) по Лапласу (с учетом того, что =0) и получаем алгебраическое уравнение:

(2).

где.

Х (р) и У (р) — выходная и входная величины ОУ, преобразованные по Лапласу;

р — оператор Лапласа.

2. Находим решение алгебраического уравнения:

3. Определяем аналитическое выражение передаточной функции объекта управления.

.

которое с учетом уравнения (3) имеет вид:

(4).

4. Находим изображение переходной характеристики hОУ (р), которое с учетом уравнения (4) имеет вид:

— изображение единичной ступенчатой функции.

(5).

5. Приравниваем знаменатель выражения (5) к нулю и найдем корни полученного уравнения:

.

Так как один корень (р₁) уравнения равен нулю, а второй (р₂) простой, то для нахождения переходной характеристики h_ОУ(t) применяем эмпирическую формулу разложения Хэвисайда.

6. По формуле Хэвисайда определяем переходную характеристику ОУ:

(6).

где.

H (0), Н (рi) и Q (0), Q (рi) — значения полиномов числителя Н (р) и знаменателя Q (р) функции W (р) при условии, что р=0 и р=рi соответственно;

рi — корни характеристического уравнения Q (р)=0;

n — количество корней характеристического уравнения;

Q/(рi) — значение производной при р=рi.

С учетом того, что для передаточной функции (4):

Н (р)=КОУ;

Q (р)=1+ТОУр;

n=1;

р 1=-(1/ТОУ);

Н (0)=КОУ;

Н (рi)=КОУ;

Q (0)=1;

Q/(рi)=ТОУ.

Получаем:

Рисунок 1. Переходная характеристика объекта управления.

7. Взяв производную по времени от уравнения (7), получаем аналитическое выражение импульсной характеристики:

. (8).

Рисунок 2. Импульсная переходная характеристика объекта управления.

8. Находим аналитическое выражение комплексной частотной характеристики (КЧХ). Для этого заменяем в выражении (4) для передаточной функции комплексную величину р на переменную jw и получаем:

(9).

где — мнимая единица.

9. Представим экспоненту в тригонометрической форме (по формуле Эйлера), помножим знаменатель и числитель на комплексно-сопряженную величину (1-jТОУ) и получим:

.

а после элементарных преобразований получим:

Или где.

(10).

— вещественная частотная характеристика (ВЧХ).

(11).

— мнимая частотная характеристика (МЧХ).

Рисунок 3. Комплексная частотная характеристика объекта управления.

10. Определяем амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) ОУ.

.

которая с учетом уравнений (10) и (11) после преобразований принимает вид.

(12).

Рисунок 4. Амплитудно-частотная характеристика.

Находим аналитическое выражение ФЧХ, которое для рассмотренного ОУ представляет собой сумму фазо-частотных характеристик для апериодического звена и звена с запозданием:

(13).

Рисунок 5. Фазо-частотная характеристика объекта управления.

По выражениям (12) и (13), используя исходные данные для проектирования и изменяя частоту в интервале от 0 до, получим частотные динамические характеристики объекта управления.

Таким образом, для оценки динамических свойств объекта регулирования располагаем временными и частотными характеристиками.

Из временных характеристик следует, что рассматриваемому объекту управления характерна инерционность (постоянная времени ТОУ).

Частотные характеристики свидетельствуют о том, что объект регулирования является сравнительно низкочастотным, т. е. может реагировать только на относительно медленные изменения регулирующей величины У (t).

Задание № 2

автоматизация сушильный термопара Сушка угля, добавок в цементном производстве обычно происходит в сушильном барабане прямоточного типа.

Схема автоматического регулирования, разработанная ЦПКБ треста Севзапмонтажавтоматика для барабанов, работающих на газообразном топливе, предусматривает работу барабана в режиме максимально возможной (при данной влажности сырья) производительности.

Схема предназначена и используется для сушки гранулированного шлака, имеющего входную влажность в пределах 8—25% и высушиваемого до влажности 0−3%.

Схема состоит из двух самостоятельных систем автоматического регулирования.

Рис. 6. Функциональная схема сушильного барабана: 1 — дымосос; 2 —шибер дымососа; 3 — пылеосадительная камера: 4 — конвейер готового продукта; 5 — сушильный барабан; 6 — бункер сырья; 7 — нож тарельчатого питателя; 8 — смесительная камера; 9 — топка: 10 — заслонка трубопровода воздуха; 11 — регулирующий орган трубопровода топлива: Д1 и Д2 — датчики-термопары; ДЗ — датчик-термометр сопротивления; Р1 — регулятор температуры смесительной камеры; Р2 — регулятор температуры внутри барабана; Р3 — регулятор влажности; ИМ1 — исполнительный механизм подачи топлива; ИМ2 — исполнительный механизм питателя; ИМЗ — исполнительный механизм перемещающий регулирующие органы.

Первая система обеспечивает ввод в барабан максимально возможного количества тепла. Максимальное количество тепла, вводимое в барабан, определяется температурой в смесительной камере и количеством теплоносителя (газа), проходящего через агрегат.

Система стабилизации температуры в смесительной камере состоит из термопары Д 1, регулятора Р 1 и исполнительного механизма ИМ 1, воздействующего на подачу газообразного топлива в топку барабана. Регулирование количества теплоносителя не предусмотрено, поскольку при поддержании постоянными режимов работы вентилятора и дымососа и неизменных положениях регулирующих органов заслонки и шибера колебания количества теплоносителя невелики.

Вторая двухкаскадная система регулирует загрузку барабана сырьем, устанавливая его максимально возможный расход при заданных тепловом режиме и влажности выходного продукта. Первый каскад системы в качестве датчика Д2 использует термопару, установленную в барабане на расстоянии 1 м от его обреза с горячего конца. Съем сигнала производится посредством контактных колец и троллей. Термопара измеряет температуру газового потока внутри барабана, зависящую от влажности материала, поступающего в барабан. Сигнал от термопары поступает на регулятор температуры Р2 и через исполнительный механизм ИМ2 воздействует на положение ножа тарельчатого питателя загрузки материала. Второй каскад системы — регулятор влажности выходного продукта РЗ — корректирует работу первого каскада, воздействуя через исполнительный механизм ИМЗ на датчик регулятора Р2, Влажность продукта оценивается косвенным путем при помощи контроля температуры шлака на выходе из барабана. Термометр сопротивления ДЗ, контролирующий температуру выходящего шлака, устанавливается в лотке на пути шлака из барабана на конвейер.

Промышленные испытания схемы показали, что ее применение дает существенный технико-экономический эффект: по сравнению с ручным управлением барабана снижается расход тепла на сушку примерно на 10%, повышается производительность барабана на 5%, уменьшается диапазон колебаний влажности высушенного шлака.

На базе разработанной схемы трест Севзапмонтажавтоматика начал выпуск установок типа УРПС, предназначенных для автоматического контроля и регулирования процесса сушки во вращающихся барабанах. В качестве регулирующей аппаратуры использованы потенциометр, типа ЭПД, с трехпозиционным регулятором Р1, электронный регулятор системы ВТИ — Р2 и прерывистый регулятор разработки ЦПКБ — РЗ. Кроме элементов схемы регулирования в установку входят: устройство сигнализации о наличии шлака на тарельчатом питателе, датчик сигнализации о засорении входной течки, по которой поступает материал в барабан, устройство сигнализации аварийной остановки транспортера сухого шлака.

Конструктивно установка выполняется в виде трех щитов шкафного типа, в которых размещаются вторичные приборы, регуляторы и элементы дистанционного управления.

Рисунок 7. Функциональная схема ПИД-регулятора ОВЕН ТРМ-151−09.

В регуляторе температуры ТРМ-151 введено понятие «объекта регулирования» (это технический объект, у которого регулируется одна или несколько физических величин), для которого можно создать один или несколько каналов регулирования. Данный подход позволяет обеспечить лучшую связь прибора с реальными объектами. Например, в случае отказа одного из датчиков в режим АВАРИЯ переводится весь объект, а не только выходной объект, подключенный к данному датчику.

Канал регулирования включает в себя входное устройство, регулятор и выходное устройство.

В регуляторе ТРМ -151 одновременно могут работать 2 канала регулирования, причем они могут принадлежать как одному, так и разным объектам регулирования.

Измеритель-регулятор — ТРМ-151. Технические характеристики: Прибор позволяет создавать системы управления различного уровня сложности — от контуров локального регулирования до комплексных систем управления объектами, интегрирующимися в АСУ.

Особенности:

• * Возможность управления двумя независимыми объектами (например, двумя печами, двумя климатокамерами и др.)
• * Два встроенных универсальных входа и два выхода
• * Возможность расширения входов и выходов путем подключения модулей ОВЕН МВА 8 и МВУ 8 по интерфейсу RS 485
• * Программное управление различными исполнительными механизмами:
  • — 2 х позиционными (ТЭНы, двигатели)
  • — 3 х позиционными (задвижки, краны)
  • — дополнительными устройствами (заслонки, жалюзи, дымо или парогенераторы и т. п.)
• * Конфигурирование прибора с помощью программы на персональном компьютере

Описание прибора: Новый подход к работе с объектом регулирования. В ТРМ-151 введено понятие «объект регулирования», для которого можно создать один или несколько каналов регулирования. Подобный подход позволяет обеспечить лучшую связь прибора с реальными объектами. Например, в случае поломки одного из датчиков в режим АВАРИЯ переводится весь объект, а не только выходной элемент, связанный с этим датчиком. И не произойдет «перекосов» в работе из-за того, что одни каналы объекта работают в обычном режиме, а другие — в аварийном.

ТРМ-151 позволяет организовать управление 2-мя независимыми объектами.

Структура канала регулирования: Канал регулирования включает в себя входное устройство, регулятор и выходное устройство.

В ТРМ-151 одновременно могут работать 2 канала регулирования, причем они могут принадлежать как одному объекту регулирования, так и двум разным объектам.

Всего прибор позволяет создать внутри себя 8 каналов регулирования с различными параметрами.

Программы технолога: В ТРМ-151 для каждого объекта задаются независимые программы технолога. Для каждого шага программы задаются установки и параметры регулирования. На разных шагах программы можно регулировать разные входные величины с помощью одного и того же выходного устройства. Условие перехода на следующий шаг программы можно задавать по времени или по достижении определенного значения какого либо измеряемого или вычисляемого параметра. Также в ТРМ-151 можно вызывать программы одну из другой, что позволяет описать технологический процесс практически любой сложности.

ТРМ-151 может иметь 12 программ по 10 шагов в каждой.

Клапаны регулирующие и запорнорегулирующие предназначены для автоматического управления технологическими процессами различных производств с целью непрерывного регулирования параметров рабочей среды (расход, давление и т. д.), а также для работы в качестве запорных устройств. Применяются на тепло-энерго централях (ТЭЦ), на индивидуальных (ИТП) и центральных (ЦТП) тепловых пунктах в системах отопления и горячего водоснабжения, приточной вентиляции тепличных хозяйств и системах кондиционирования воздуха, а также на технологических линиях химической, нефтехимической, пищевой и др. отраслей промышленности Ду (DN) от 15 до 200 мм, условная пропускная способность (Kv) от 0,1 до 630 м 3/ч Определение параметров ОУ с учетом датчика технологического параметра и построение переходной характеристики:

Рис. 8 Переходная характеристика ОУ

• 1. Автоматизация производственных процессов в промышленности строительных материалов: Учеб. для техникумов/ В. С. Кочетов, В. И. Кубанцев, А. А. Ларченко и др.; Под ред. В. С. Кочетова. — Изд. 3-е, перераб. и доп. — Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1986 — 392 с., ил.
• 2. www.systim.ru
• 3. www.owen.ru