Анализ структуры и состава системы управления технологическими параметрами в процессе рекуперации бензина

На промышленном предприятии ОАО «Волжский завод асбестовых технических изделий» (ОАО «ВАТИ») процессы адсорбции и рекуперации позволяют получать из паровоздушной смеси (ПВС) и вторично использовать бензин. Возврат бензина в производство составляет 71%, что позволяет снижать себестоимость продукции а, следовательно, за счет оптимальной цены предприятие занимает ведущее место в отрасли по общему объёму производства, отгрузке и реализации продукции. В процессе рекуперации бензина на стадии адсорбции отработанный воздух сбрасывается в атмосферу. Предельно допустимая концентрация паров бензина в воздухе должна быть безопасна для окружающей среды (не более 100 мг/м³) [1]. Процесс должен быть непрерывным, безопасным, с заданной производительностью 2500 м³/ч при минимальных материальных и энергетических затратах. Следовательно, возникает необходимость разработки системы управления температурой в адсорбере.

Широкое распространение получили одноконтурные системы управления, которые обеспечивают стабилизацию регулируемой величины и обработку простейших типов воздействий. Но одноконтурная система регулирования температуры в адсорбере обладает низким качеством и большим запаздыванием, поэтому необходимо рассматривать многоконтурные системы регулирования.

В настоящее время с развитием микропроцессорных систем управления, с применением программируемых логических контроллеров (ПЛК), появилась возможность организовывать гибкое управление объектом [2], что, в свою очередь, позволяет реализовывать сложные законы управления на базе сложных многоконтурных систем.

В работе рекуперационной установки центральное место занимает процесс адсорбции. Объектом исследования является цилиндрический адсорбер горизонтального типа рис 1.

адсорбер каскадный паровоздушный смесь Структурная схема объекта управления (ОУ) приведена на рис. 2.

Рис. 2 Структурная схема ОУ

ПВС, содержащая пары бензина при t=32°C поступает в адсорбер через штуцер 2 рис. 1. Средний расход подаваемой ПВС в адсорбер составляет 57,7 м³/мин. Уголь активированный рекуперационный АР-В, АР-Б является адсорбирующим веществом. Отработанный воздух (t=40−42°C), очищенный от паров бензина отводится через выхлопную трубу 3 в атмосферу рис. 1. Средний расход отводимого воздуха составляет 17,31 м³/мин.

Важно поддержание следующих показателей эффективности [3, 4]: температуры внутри адсорбера, производительности адсорбера, материальных затрат на процесс. Вывод об эффективности системы управления формулируется на основании значения среднеквадратичного критерия качества (1) [5, 6].

(1).

где — установившееся значение выходной величины, — значение выходной величины в текущий момент времени, — время регулирования.

При разработке системы рассматривается контур управления температурой в адсорбере. Основным возмущением в процессе является расход подаваемой ПВС, который необходимо стабилизировать. Следовательно, исследуются показатели двухконтурной каскадной [7, 8] системы: регулирование расхода подаваемой ПВС на входе в адсорбер по температуре в адсорбере. При этом обеспечивается поддержание основного показателя эффективности на заданном уровне 40 °C. В такой системе внутренний контур регулирования обеспечивает стабилизацию расхода ПВС, устраняя тем самым основное из возмущений, а регулятор внешнего контура поддерживает температуру на заданном значении [4].

Функциональная схема имеет вид:

Рис. 3 Функциональная схема двухконтурной каскадной САУ

В результате проведенного анализа эффективности двухконтурной каскадной системы с использованием П, ПИ, ПИД регуляторов наиболее качественной оказалась система автоматического управления (САУ) с ПИ регулятором (таблица № 1).

Таблица № 1.

Значения среднеквадратичного критерия качества с применением П, ПИ, ПИД регуляторов в двухконтурной каскадной САУ.

Параметры САУ.	П.	ПИ.	ПИД.
передаточная функция.
значение среднеквадратичного критерия качества,.	18 657,2.	17 361,5.	29 404,4.

В программном средстве VisSim моделируется процесс и находится минимальное значение среднеквадратичного критерия качества при оптимальных настроечных параметрах ПИ-регулятора.

Рис. 4 Схема двухконтурной каскадной САУ с ПИ-регулятором

Следующей системой является система регулирования температуры в адсорбере путем изменения расхода ПВС с компенсацией [8] возмущения в виде концентрации паров бензина ПВС, поступающей из холодильника.

Вместе с изменением расхода ПВС по этому же каналу приходит и другое возмущение — температура исходной ПВС, поступающей из холодильника и влияющей на процесс адсорбции в целом. Если исходная ПВС поступает в адсорбер при температуре выше требуемой, то ее необходимо охладить до требуемой. При нарушении температурного режима может произойти воспламенение и нарушение технологического процесса.

Функциональная схема имеет вид:

Рис. 5 Функциональная схема двухконтурной САУ с компенсацией возмущения

Для проведения анализа эффективности САУ с динамической компенсацией были использованы П, ПИ, ПИД регуляторы. При построении систем управления были получены значения среднеквадратичного критерия.

Таблица № 2.

Значения среднеквадратичного критерия качества с применением П, ПИ, ПИД регуляторов в двухконтурной САУ с компенсацией возмущения.

Параметры САУ.	П.	ПИ.	ПИД.
передаточная функция.
значение среднеквадратичного критерия качества,.		15 055,6.	14 991,2.

В программном средстве VisSim моделируется процесс и находится минимальное значение среднеквадратичного критерия качества при оптимальных настроечных параметрах регуляторов [9,10].

Рис. 6 Схема двухконтурной САУ с компенсацией возмущения с П-регулятором

При исследовании двухконтурной САУ с компенсацией возмущения при оптимальных настроечных параметрах П-регулятора значение среднеквадратичного критерия качества оказалось высоким, что не отвечает требованиям эффективности, поэтому были построены системы управления с ПИ и ПИД-регуляторами, наиболее эффективной из которых является САУ с ПИД-регулятором.

Рис. 7 Схема двухконтурной САУ с компенсацией возмущения с ПИД-регулятором

По результатам моделирования исследованных систем управления можно сделать вывод, что более эффективной является система регулирования температуры в адсорбере путем изменения расхода ПВС с компенсацией возмущения в виде концентрации паров бензина в ПВС, поступающей из холодильника. Минимального значения среднеквадратичный критерий достигает при значениях настроечных коэффициентов ПИД-регулятора.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны [Текст]: постановление о введении в действие ГН 2.2.5.1313−03 от 30 апреля 2003 г. № 76 // Собрание законодательства Российской Федерации.2003. 2000. № 31. Ст. 3295.

Пупков К.А., Егупов Н. Д. Методы классической и современной теории автоматического управления. Т. 1: Математические модели, динамические характеристики и анализ систем автоматического управления / Под ред. К. А. Пупкова, Н. Д. Егупова. М.: Изд-во МВТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 656 с.

Гартман, Т. Н. Основы компьютерного моделирования химико-технологичеких процессов / Т. Н. Гартман. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 416 с.

Бесекерский, В.А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления / В. А. Бесекерский, Е. П. Попов. Спб.: Профессия, 2003. 757 с.

Шишмарев, В. Ю. Основы автоматического управления / В. Ю. Шишмарев. М.: Издательский центр «Академия», 2008. 352 с.

Костоглотов А.А., Костоглотов А. И., Лазаренко С. В., Андрашитов Д. С. Многопараметрическая идентификация конструктивных параметров методом объединенного принципа максимума [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2011, № 1. Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2011/348 (доступ свободный) — Загл. с экрана. Яз. рус.

Ganchev I. Auto-tuning of cascade systems with auxiliary corrector // Proc. of the 18th Intern. Conf. on SAER. Varna, 2004. Sofia, 2004. P. 46−50.

Астрахан В. Д. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами / В. Д. Астрахан. М.: Энергоиздат, 1982. 416 с.

Astrom K.J. Advanced PID control.ISA. Triangle Park, 2006. P. 446.

Абрамов К. В. Методика определения коэффициентов ПИД-контроллера при моделировании автоматизированных систем управления ректификационной колонной с применением пакета ChemCAD [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2011, № 2. Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2011/444 (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус.