Автоматическое управление процессом удаления примесей из двуокиси углерода

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ комплексный по дисциплинам: «Автоматическое управление «

" Автоматизация технологических процессов «

на тему: Автоматическое управление процессом удаления примесей из двуокиси углерода ВВЕДЕНИЕ автоматический преобразователь давление В комплексной механизации и автоматизации химической промышленности выделяем актуальные на сегодняшний день требования: получение качественной продукции, благодаря внедрению новых технологий, внедрение ресурсосберегающий технологий, экономии сырья и энергоресурсов.

Важнейшее направление развития химической техники — повышение производительности и интенсивности работы аппаратов, оно может быть достигнуто увеличение размеров или совершенствование аппаратов, а часто комбинацией того и другого.

Механизация трудоемких процессов пришло к замене физической труда человека машинным. На большинстве химических производств основные операции механизированы, но не всегда механизированы загрузки сырья, выгрузки сырья и транспортировки сырья.

Очень важным в химической промышленности с её вредными процессами, стала, применена автоматизация и дистанционное управление производственным процессом, а именно использование приборов без непосредственного участия человека, лишь под его контролем. Автоматизация — высшая ступень механизации. Дистанционное управление — неполная автоматизация, когда человек управляет на расстоянии, например с пульта управления.

Автоматизация производство основа развития современной промышленности, генеральное направление технического прогресса. Заключается в повышении эффективности труда, улучшении качества выпускаемой продукции, в создании условий для оптимального использования всех ресурсов производства. Различают частичную, комплексную и полную.

Частичная автоматизация производства, точнее — автоматизация отдельных производственных операций, осуществляется в тех случаях, когда управление процессами вследствие их сложности или скоротечности практически недоступно человеку и когда простые автоматические устройства эффективно заменяют его.

Частично автоматизируется, как правило, действующее производственное оборудование. По мере совершенствования средств автоматизации и расширения сферы их применения было установлено, что частичная автоматизация наиболее эффективна тогда, когда производственное оборудование разрабатывается сразу как автоматизированное.

При комплексной автоматизации: производство, участок, цех, завод, электростанция функционируют, как единый взаимосвязанный автоматизированный комплекс. Комплексная автоматизация производства охватывает все основные производственные функции предприятия, хозяйства, службы — она целесообразна лишь при высокоразвитом производстве на базе совершенной технологии и прогрессивных методов управления с применением надёжного производственного оборудования, действующего по заданной или самоорганизующейся программе, функции человека при этом ограничиваются общим контролем и управлением работой комплекса.

Полная автоматизация производства — высшая ступень автоматизации, которая предусматривает передачу всех функций управления и контроля комплексно-автоматизированным производством автоматическим системам управления. Она проводится тогда, когда автоматизируемое производство рентабельно, устойчиво, его режимы практически неизменны, а возможные отклонения заранее могут быть учтены, а также в условиях недоступных или опасных для жизни и здоровья человека.

Цель проекта — автоматическое управление процессом удаления примесей из двуокиси углерода. Является выбор современных средств автоматизации, исследование системы автоматического управление устройств в статическом и динамическом режимах.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Описание технологического процесса. Классификация технологического объекта и системы автоматического управления Описание технологического процесса. Процесс удаления примесей из двуокиси углерода происходит в скруббере Процесс удаления примесей из двуокиси углерода происходит в скруббере. Сборный газ Сырец поступает по трубопроводу УГ-500 в цех по производству двуокиси углерода жидкой. Газообразная двуокись углерода, дожатая компрессором с температурой не более 97,8 °C поступает в нижнею часть скруббера. В скруббере идет охлаждение и устранение, за счет массообменного процесса с промывной водой водорастворимых примесей. При охлаждении газообразной двуокись углерода из неё выхолаживаются пары воды, при конденсации выпавшая влага смешивается с поступающей водой на орошение колонны, и периодически выводиться в канализацию. Предусмотрено два контура водяного орошения скруббера центробежными насосами. В нижнем контуре вода циркулирует: куб колоннынасос производительностью 11−25 /час. После вода поступает на вход теплообменника, где температура не боле 40 °C, на выходе 17−34,9 °C. Вода поступает в скруббер с линии теплообменника, там проходит дополнительное охлаждение с помощью испарения аммиака. Предусмотрена возможность подпитки скруббера из коллектора речной воды. Газообразная двуокись углерода, очищенная и охлажденная, что обеспечивает отсутствие капельной влаги, выходит из верхней части колонны. Назначение компрессора — подъем давления газообразной двуокиси углерода до 0,87 бар. Скруббер представляет собой полую колонну заполненную двумя слоями колец «Паля».

Классификация технологического объекта и системы автоматического управления Технологический процесс удаления примесей по типу относится к массообменному процессу.

Показатель эффективности полное удаление водорастворимых примесей из двуокиси углерода.

Цель управления полное удаление водорастворимых примесей из газообразно двуокиси углерода.

По функциональному назначению система автоматического управления (САУ) относится к системе автоматического регулирования (САР) и состоит из контуров: — регулирования давления в трубопроводе — контур 2,

регулирования уровня в скруббере — контур 4.

По направлению информационных потоков контур 4 замкнутый САР, контур 2 разомкнутая САР.

По принципу отклонения регулируемой величины САР контур 2 является

стабилизирующий, контур 4 — следящий.

По количеству контуров регулирование САУ является многоконтурной.

1.2 Описание выбранных систем автоматического контроля и регулирования Показатель эффективности процесса — полное удаление водорастворимых примесей из двуокиси углерода.

Цель управления полное удаление водорастворимых примесей из газообразной двуокиси углерода.

В процессе работы возникают возмущающие воздействия: изменяется расход и давление газообразной двуокиси углерода.

Для достижения цели управления и ликвидации возмущений регулированию подлежат следующие параметры: контур 2 — давление газа двуокиси углерода контур 4-уровень воды стекающий в установку нейтрализации.

Давление двуокиси углерода, поступающей в компрессор, регулируется клапаном 2 г, установленным на трубопроводе. Уровень жидкости поддерживает сброс избытка воды клапаном 4 г, установленным на трубопроводе.

Для нормального введения технологического процесса пуска и остановки, подсчета технико-экономических показателей контролю и сигнализации подлежат следующие параметры: контур 4-уровень воды в кубовой части скруббера, контур 2 -давление двуокиси углерода на входе шестиступенчатого компрессора, температура воды поступающий верхнюю часть скруббера.

В качестве датчиков используются: для измерения температурытермометр сопротивления платиновый унифицированный ТСПУ (поз.1а, 1б, 1в), для измерения давленияCERABAR PMC45 (поз.2а), для измерения расходавихревой расходомер Prowirl72 °F и преобразователь расхода Deltabar s PMD 75 (поз. 3б, 3 В, 3г), для измерения уровняэлектронный датчик уровня типа NI1321(поз.4а).

Для регистрации параметров 3-х канальный регистратор типа PMT-49D (поз.1г).

Блок питания 40−4к-Ex.

Для барьера искрозащиты берем РИФ-П1.

Регулирующий пневматический клапан типа 3256−1. Н.З., (поз.2г, 4г).

1.3 Выбор сигнализируемых параметров

1.Сбросный газ сырец от корпуса 0/14 агрегата аммиака поступает по трубопроводу УГ-500 в цех по производству двуокиси углерода до компрессора.

Давление газа сырца на входе в компрессор сигнализация верхнего предела 59 кПа Давление газа сырца на входе в компрессор сигнализации нижнего предела 30 кПа

2.Промежуток трубопровода после компрессора и до нижней части скруббера.

Температура перед входом в скруббер верхний предел 98 °C, нижний 8 °C.

Расход двуокиси углерода составляет 0−7700 кг/ч.

3.Водяной скруббер.

Уровень воды в кубовой части скруббера, сигнализируется верхний предел-75%, а нижний-20%, для предотвращения перелива и опустошения куба колонны.

Регистрация температуры (средние значение 25 °С)

4.Трубопровод после насоса и до скруббера.

Давление не более 400 кПа.

Расход воды сигнализируется нижним пределом при 10/ч, оптимальный диапазон измерения 11−25/ч. Температура воды не более 40 °C.

1.4 Назначение, технические характеристики, устройство преобразователь давления Cerabar М PMC45

Преобразователи давления Cerabar M с ЖК-индикацией предназначены для измерения избыточного и абсолютного давления в газах, парах, жидкостях.

Благодаря модульной конструкции Cerabar M может быть подобран для применения в различных областях промышленности. Имеются все основные типы резьбовых, фланцевых подключений.

Характеристики:

Максимальный диапазон: 40 бар, стойкость к 40-кратным перегрузкам;

Выходные сигналы: 4.20 мА, HART, Profibus PA;

Перенастройка диапазона измерения: 10:1;

Предел допускаемой основной погрешности: ±0,2% ±0,1% (опционально);

Перенастройка диапазона измерения: 10:1;

Верхние пределы измерительных диапазонов избыточного и абсолютного давления: 0,1/0,4/¼/10/40 бар;

Корпус:

материал: алюминий, нержавеющая сталь;

степень защиты корпуса: IP66.68;

Выходной сигнал: 4.20мА; HART; Profibus PA;

Температура рабочей среды: -40.+125 оС; + 150 °C не большее 1 часа.

Температура окружающего воздуха: -40.+85 оС.

Присоединение к процессу: резьбы фланцы DIN, ANSI присоединения;

Деформация измерительной мембраны вызывает изменение емкости на входе электронной схемы, которая, в свою очередь, формирует выходной сигнал.

Мембрана обладает высокой механической прочностью, коррозионной стойкостью к химически-агрессивным средам и стойкостью к истиранию. Благодаря отсутствию заполняющего масла, емкостная измерительная ячейка является идеальным решением для измерения вакуума. Оригинальная конструкция измерительной ячейки позволяет значительно увеличить устойчивость измерительных преобразователей к перегрузкам. Преобразователь давления дополнительно может комплектоваться монтажным кронштейном.

Принцип действия.

Керамический сенсорсухой чувствительный элемент с прямым воздействием давления процесса на рамическую диафрагму, деформируемую макс на 0,025 мм. Изменение электрической емкости, измеряемой между электродами на диафрагме на керамической основе, пропорционально изменению давления, Диапазон измерения определяется толщиной керамической диафрагмы.

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ В современных условиях статические и динамические свойства объекта регулирования (ОР) оцениваются аналитически по результатам решения дифференциальных уравнений, составленных на основании материального и энергетического балансов объекта.

Статические свойства ОР определяют способность объекта сохранять состояние равновесия и связь между различными состояниями его равновесия. В проекте эта связь представляет собой зависимость между входной (Хо) и выходной (Уо) величинами в установившемся режиме.

Характеристики, описывающие этот режим, называются статическими. Основным параметром этих характеристик является статический коэффициент преобразования.

Контур регулирования системы состоит из нескольких звеньев (ОР, Д, Р, ИМ), с помощью которых осуществляется связь между Хо и Уо. Каждое звено имеет свою статическую характеристику.

Аналитическое исследование САР в статическом режиме заключается:

— в построении совместных характеристик ОР и ДРИМ и определения координат рабочей точки, а также угла между ними. В случае устойчивой работы системы угол пересечения статических характеристик ОР и ДРИМ должен быть в пределах 60−90°. Если это условие не соблюдается, то в цепь ОС САР включается дополнительное усилительное или ослабительное звено,

— в решении системы уравнений и определении координат рабочей точки системы, координаты должны совпадать с координатами рабочей точки, полученными графическим путем.

Динамические свойства системы исследуются аналитическим путем с помощью переходных функций ОР и звеньев цепи обратной связи (ДРИМ) Динамический режим (переходный процесс) графически изображается кривой переходного процесса, его устойчивость характеризуется амплитудой колебания, инерционностью, колебательностью и прочими критериями.

В проекте устойчивость заданной системы в динамическом режиме определяется:

— по критерию Ляпунова, путем решения характеристического уравнения системы и исследования его корней,

— по критерию Найквиста, путем построения годографа переходной функции САР и его исследования.

2.1 Построение статических характеристик устройств системы управления В соответствии с заданием курсового проекта имеем статическую характеристику объекта, которая описывается уравнением.

При N=5

Строим статическую характеристику объекта регулирования.

Для этого задаем входной величины Х объекта 2 значения и находим выходные значения У объекта.

Уравнение статической характеристики объекта регулирования

Уо.р.=N-Xo.p.=5-Xo.p.

Уравнение статической характеристики датчика.

Уд=Хд Строим статическую характеристику датчика.

Уравнение статической характеристики исполнительного механизма Уи.м.=

Строим статическую характеристику исполнительного механизма.

Уравнение статической характеристики регулятора. Ур=

Строим статическую характеристику регулятора.

2.2 Определение графическим методом общей статической характеристики цепи обратной связи — ДРИМ Для этого изобразим статические характеристики этих звеньев на общей плоскости. В первом квадранте находится статическая характеристика датчика, во втором — регулятора, в третьем — исполнительного механизма.

Для определения результирующей статической характеристики разбиваем ось Хд на равные отрезки от 1 до 5. Из точек 1,2,3,4,5, проводим перпендикуляры до пересечения с линейной статической характеристикой датчика. Получаем точки А1, В1, С1 и т. д.

Из этих точек проводим горизонтали до пересечения со статической характеристикой регулятора в точках А2, В2, С2 и т. д.

Из этих точек опускаем перпендикуляры до пересечения с характеристикой исполнительного механизма, получаем точки А3, В3, С3 и т. д. Горизонтальное положение оси Yр меняется на вертикальное.

Из новых точек проводим горизонтали до пересечения с соответствующими перпендикулярами из точек А1, В1, С1 и т. д.

Соединяя точки А4, В4 и т. д., получим результирующую статическую характеристику обратной связи — ДРИМ.

2.3 Построение статических характеристик объекта регулирования и системы управления Для определения взаимосвязи между статическими характеристиками объекта и ДРИМ изобразим их в одной системе координат. В результате эти две статические характеристики пересекутся в точке А.

Координаты точки, А (0,7:4,4)

Динамический коэффициент регулирования D=

Коэффициент передачи К= ;

угол пересечения двух прямых состовляет 50°, что говорит о плохой устойчивости системы.

Из теории автоматического управления известно, что при D =1 система имеет оптимальную передачу сигнала в замкнутом контуре, при D > 1 в цепь обратной связи следует включить ослабитель сигнала; при D< 1 в цепь обратной связи следует включить усилительный элемент. Для получения динамического коэффициента равного единице, в цепь обратной связи включается ослабительный элемент с коэффициентом передачи К=0,16.

Для расчета динамического коэффициента регулирования D рассматривается общая статическая характеристика объекта и ДРИМ.

2.4 Определение аналитического выражения регулирующей системы-ДРИМ Для этого преобразуем статические характеристики датчика, регулятора и

исполнительного механизма.

Уравнение для объекта регулирования Уо.р.=5-Хо.р Уравнение для датчика Уд=3.7*Хд Уравнение для регулятора Ур=2.1Хр Уравнение для Исполнительного механизма Уи.м.=0.9Хи.м.

Из структурной схемы управления видно, что Yд = Хр; Yр = Хим

Подставим уравнение датчика в уравнение регулятора, а полученное результирующее уравнение подставим в уравнение исполнительного механизма:

Ур=2,1*3,7Хд=7,77Хд Уи.м.=0,9*7,77Хд=6,99Хд В результате получено выражение 6,99Хд Это выражение является статической характеристикой цепи обратной связи, полученной аналитическим способом. Оно также описывает статическую характеристику цепи обратной связи, полученную ранее графическим способом.

2.5 Нахождение аналитическим способом рабочей точки системы Для определения координат рабочей точки системы по аналитическому выражению строится структурная схема полученной системы в виде двух элементов с целью определения взаимосвязи регулирующих параметров.

Поскольку статические характеристики представляются прямыми линиями, то необходимо найти точку пересечения двух прямых линий, которые задаются уравнениями:

Обозначим Хд=Хо=Х; Уим=Уо=У, в результате получим.

Решается система уравнений и определяются координаты рабочей точки

;

У=3,9

Х=5-У=5−3,9=1,1

6Х=1,1

Координаты рабочей точки, А (1,1;3,9)

2.6 Определение передаточных функций элементов системы

Передаточная функция объекта регулирования задана формулой

Wo.p.=

Передаточная функция датчика

Wд=

Передаточная функция регулятора

Wp=

Передаточная функция исполнительного механизма

Wи.м.=

Wк=0,16

Так как звенья включены последовательно, то для определения передаточной функции обратной связи передаточные функции звеньев перемножаются.

Wос (р) = Wд (p)*Wр (p)*Wим (p)*Wк (р)

Wос (р)=***0,16

2.7 Определение передаточной функции системы регулирования Для определения передаточной функции системы воспользуемся выражением

Wc (p) =

Подставим в это выражение все составляющие передаточные функции и преобразуем результирующее выражение:

Wc (p) =

Wc (p)==

Для нахождения временной функции переходного процесса упростим выражение, исключив из выражения передаточной функции в числителе

а в знаменателе .

Передаточная функция принимает вид:

Wпер=

и представляет собой частотную характеристику переходного процесса, которая характеризует реакцию системы на входной гармонический сигнал.

2.8 Определение временной функции переходного процесса и критерия устойчивости САР по характеристическому уравнению Устойчивость системы определяется по положению характеристических корней и на координатной плоскости (в координатах мнимых Im и действительных Re чисел).

Для определения корней характеристического уравнения приравняем к нулю знаменатель.

=0

Найдем дискриминант уравнения

D=-4ас=0,81−1,2=-0,4

== 0,63j

=