Автоматизация выпарной установки

Задание

1. Разработать систему управления технологическим процессом или установкой.

Реализовать решения по управлению с помощью средств, используемых по управлению с помощью средств, используемых в АСУ в качестве нижнего уровня системы управления.

Наименование процесса — процесс сушки в прямоточной барабанной сушилке. Сушильный агент — топочные газы, получаемые в топке. Объектно-ориентированные КТС «Режим-1Д» .

2. Расчетная часть. Исследовать АСР 3-го порядка: рассчитать переходные процессы в АСР, состоящей из одноемкостного статического объекта регулирования, ПИ-регулятора, измерительного преобразователя и исполнительного устройства.

Принять, что характеристика измерительного преобразователя (датчика) описывается уравнением апериодического звена 1-го порядка с коэффициентами Т_ИП=2,5, К_ИП=2,5, а характеристика исполнительного устройства описывается уравнением усилительного звена с коэффициентом усиления К_ИУ=0,3

1. Разработка систем управления технологическим процессом

1.1 Краткое описание технологического процесса

1.2 Технологические параметры, требующие автоматической стабилизации (построение АСУ)

1.3 Параметры автоматического контроля, сигнализации и защиты

1.4 Краткое описание заданного комплекса технических средств (КТС)

1.5 Обоснование выбора средств для измерения параметров

1.6 Спецификация средств автоматизации

2. Расчетная часть. Исследование АСР 3-го порядка

2.1 Уравнения динамических характеристик объекта регулирования и автоматического регулятора в общем виде и с заданными коэффициентами (Т_ОБ, К_ОБ, К_Р, Т_И)

2.2 Параметры настройки ПИ-регулятора

2.3 Кривые разгона ОР и АР по заданным коэффициентам их характеристик

2.4 Передаточные функции всех элементов АСР согласно заданию

2.5 Структурная схема замкнутой АСР

2.6 Выражение эквивалентной передаточной функции АСР, определяя коэффициенты b₀, b₁, а₀, а₁, а₂, а₃

2.7 Расчет по программам АСР-V (в качестве исходных данных вводятся коэффициенты диаграммы Вышнеградскогоjbwb’етры настройки ПИ-регулятора)

2.8 График переходного процесса в АСР

2.9 Оценка показателей качества переходного процесса

2.10 Сравнительный анализ показателей качества регулирования при двух различных значениях К_Р при Т_И = const

1. Разработка систем управления технологическим процессом

1.1 Краткое описание технологического процесса Выпаривание — это процесс концентрирования растворов нелетучего вещества путем удаления жидкого летучего растворителя в виде пара.

Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отвод полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводят при кипении, т. е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.

Греющий пар из теплообменника подается в межтрубное пространство греющей камеры. Конденсат отводится снизу камеры. Выпариваемый раствор, предварительно нагретый до температуры кипения в выносном теплообменнике, поступает в пространство над трубками и опускается по циркуляционной трубе вниз. Затем раствор вскипает. Очищенный вторичный пар удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор удаляется из нижней части аппарата.

При однокорпусном выпаривании раствор выпаривается от исходной до конечной концентрации в одном и том же аппарате. Однокорпусное выпаривание применяют либо в небольших по масштабу производствах, либо при агрессивных растворах, требующих для изготовления аппарата дефицитных материалов, либо если экономия пара не имеет существенного значения.

1.2 Технологические параметры, требующие автоматической стабилизации (построение АСУ) Показателем эффективности процесса является концентрация упаренного раствора. Цель управления выпарной установки состоит в получении раствора заданной концентрации, а также в поддержании материального и теплового балансов.

Расход свежего раствора можно стабилизировать или изменять для достижения цели управления процессом выпаривания, так как этот процесс в большинстве случаев является основным на производствах.

Концентрация свежего раствора определяется предшествующими технологическими процессами; её изменения будут сильными возмущениями для процесса выпаривания. Расход паров растворителя определяется параметрами исходного раствора, а также режимными параметрами в аппарате: температурой давлением, концентрацией раствора, интенсивностью подвода тепла.

Если предположить, что цель управления достигнута, т. е. концентрация упаренного раствора на выходе из аппарата постоянна и соответствует заданной, то между температурой и давлением в аппарате будет соблюдаться определенная зависимость. Поэтому достаточно стабилизировать только один из этих параметров. В большинстве случаев этодавление в аппарате, которое можно регулировать изменением отбора пара из аппарата. Интенсивность подвода тепла к кипятильнику определяется параметрами теплоносителя: расходом, температурой, давлением и энтальпией.

Концентрация упаренного раствора зависит от расхода, концентрации и температуры исходного раствора, расхода и давления греющего пара, давления в выпарном аппарате. В соответствии с целью управления схемой автоматизации предусматривают регулирование концентрации упаренного раствора. Концентрацию можно измерить кондуктометрическим методом, по плотности раствора, по показателю преломления света или по величине температурной депрессии раствора, т. е. по разности температур кипения раствора и растворителя. Последний метод вследствие простоты и наличия однозначной зависимости между концентрацией и температурной депрессией при постоянном давлении применяют довольно часто.

Концентрацию упаренного раствора можно регулировать изменением расхода раствора. При таких схемах регулирования количество поступающего исходного раствора определяется условиями работы выпарной установки. Не рекомендуется стабилизировать концентрацию упаренного раствора воздействием на подачу свежего раствора на установку. Вследствие большого запаздывания такая схема не обеспечит высокого качества регулирования К наиболее сильным возмущающим воздействиям относятся изменения расхода теплоносителя. Эти возмущения компенсируют установкой стабилизирующего регулятора расхода. При целенаправленном изменении расхода теплоносителя в объект могут вноситься и регулирующие воздействия. Однако при этом может возникнуть «пленочное кипение», что неэкономично.

С изменением других параметров теплоносителя в объекте будут иметь место другие возмущения.

Анализ возмущающих воздействий в объекте управления показал, что часть параметров, определяющих концентрацию упаренного раствора, будет изменяться.

Чтобы при наличии возмущающих воздействий цель управления была достигнута, следует в качестве главной регулируемой величины брать концентрацию упаренного раствора, а регулирующее воздействие вносить изменением расхода свежего раствора.

1.3 Параметры автоматического контроля, сигнализации и защиты Концентрацию упаренного раствора (Су.р.) определяют по разности между температурами кипения раствора и растворителя (по температурной депрессии). Температурная депрессия — разность между температурами кипения раствора и растворителя. О концентрации упаренного раствора можно судить и по плотности.

Итак, для достижения цели управления процессом следует регулировать температурную депрессию (изменением расхода свежего раствора); давление в аппарате (изменением расхода паров растворителя) и расход теплоносителя.

Для поддержания материального баланса в аппарате необходимо регулировать уровень раствора изменением расхода упаренного раствора.

В процессе выпаривания контролируют расходы свежего раствора, упаренного раствора, пары теплоносителя; температуру, давление и расход теплоносителя; давление и уровень в аппарате; температурную депрессию. Сигнализации подлежат отклонение концентрации Су.р. от заданного значения и прекращение подачи раствора. В последнем случае устройство защиты должно отключить линию теплоносителя для предотвращения порчи продукта и аварии.

1.4 Краткое описание заданного комплекса технических средств (КТС) Регулирующий микропроцессорный контроллер Ремиконт заменяет пользователю набор из 64 одновременно работающих приборов.

В ремиконте могут быть задействованы до 64 алгоблоков, работающих независимо друг от друга либо образующих многосвязную систему. Каждый алгоритм настраивается на решение конкретной задачи с помощью коэффициентов (время интегрирования, уровень ограничения и т. п.).

Для автоматического управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности, требующих многоканального, многосвязного, каскадного, супервизорного, программного управления, а также управления с переменной структурой в целях автоматизации нестационарных процессов, предназначен ремиконт типа.

Все управление ремиконтом ведется с помощью клавишей. Для представления информации оператору используются цифровые индикаторы и сигнализаторы на светодиодах.

Основные технические характеристики:

Число входов: аналоговых до 64, дискретных до 126, импульсных до 64. Входные и выходные аналоговые сигналы: 0−5,0−20,4−20 мА; 0−10 В. Входные дискретные сигналы: логический 0(любой знак), 0—3 В; логическая 1 (любой знак) — 18—30 В. Выходные дискретные и импульсные сигналы (состояние контактов): логический 0, разомкнутое; логическая 1, замкнутое. Коммутирующая способность выходных контактов — 48 В; 0,1 А. Число алгоблоков — до 64. Число алгоритмов управления- 25. Время цикла 0,27—2,04 с. Точность установки сигнала задания 0,1%. Статистическая погрешность стабилизации параметра (без учета погрешности датчика) -0,2%. Время, в течение которого при отключенном питании сохраняется запрограммированная информация- 94 ч.

Дисплейный микропроцессорный контроллер димиконт Д-110 предназначен для построения распределенных АСУТП на базе ремиконтов и ломиконтов.

Димиконт Д-110 состоит из блока управления, двух цветных телевизионных мониторов, клавиатуры ввода информации, клавиатуры операторатехнолога, кассетного накопителя, устройства печати знакосинтезирующего.

Димиконт Д-110 обеспечивает работу в режимах оперативного управления, технологического программирования и сервисном. В оперативном режиме димиконт реализует следующие функции:

— сбор и первичную обработку данных о ходе технологического процесса;

— ввод данных осуществляют по последовательному интерфейсу ИРПС от ремиконтов и ломиконтов и (или) через УСО непосредственно от ТОУ;

— отображение данных о процессах в ТОУ в режиме реального времени в виде статической информации (таблицы, информационные надписи и т. д.) и совмещенной с ней динамической информации (значения координат в процентах и в абсолютных величинах, в форме графиков, столбиковых диаграмм, таблиц, изменяющихся фрагментов изображений, аварийная сигнализация, расчетные показатели и т. п.);

— аварийную сигнализацию и сигнализацию об отклонениях координат ТОУ подачей звукового сигнала, мерцанием или изменением цвета отображения;

— вызов данных о течении процесса в ТОУ по иерархическому принципу: от общей информации к частной;

— ведение истории процесса управления ТОУ по 128 координатам и параметрам с записью их значений на магнитную ленту кассетного накопителя для последующего просмотра и анализа;

— документирование информации о работе ТОУ: автоматический вывод на печать аварийной информации (дата и время отклонения координаты, наименование координаты, ее граничные значения и т. д.), распечатка по вызову оператора буквенно-цифровой копии 1 экрана, протоколов, графиков и др.;

— ввод даты и коррекция суточного времени;

— самодиагностику работы основных узлов Д-110, формирование и отображение сообщений о неисправностях и неправильных действиях оператора.

Число входных сигналов, принимаемых по ИРПС — 512. Скорость обмена информацией по ИРПС — 4800 бод. Количество подключаемых модулей цветной индикации — до 2. Информационная емкость экрана — 64 знака х 32 строки.

1.5 Обоснование выбора средств для измерения параметров Регулирующий микропроцессорный контроллер Ремиконт и дисплейный микропроцессорный контроллер Димиконт Д-110 работают с унифицированными электрическими сигналами (0…5)мА. Поэтому выбираем технические измерительные средства с электрическими выходными сигналами. Например, типа «Сапфир» или термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом (0…5)мА.

1.6 Спецификация средств автоматизации

автоматический стабилизация технологический процесс

2. Расчетная часть. Исследование АСР 3-го порядка

2.1 Уравнения динамических характеристик объекта регулирования и автоматического регулятора в общем виде и с заданными коэффициентами Т_об, К_об, К_р, Т_и.

Объект регулирования (ОР):

Т_об dy + y = К_об * x

dt

Т_об = 16,6; К_об = 2;

16,6 * dy + y = 2 * x

dt

Автоматический регулятор (АР) (ПИ — регулятор):

dх/ dt = К_р *dy/dt + 1/Т_и *y,

Для К_р1= 12; Т_и1= 0,43:

dх/dt = К_р1 *dy/ dt + 1/ Т_и *у = dх/dt = 12 * y/ dt + 1/ 0,43 *у Для К_р2= 2,5; Т_и1= 0,43:

dх/ dt = К_р2 *dy/ dt + 1/ Т_и *y= dх/ dt = 2,5 *dy/ dt + 1/ 0,43 *y.

2.2 Определение параметров настройки ПИ-регулятора Заданные коэффициенты:

Т_g = Т_ип = 2,5;

Т₁ = 0;

Т_об(Т₂) = 16,6;

К_об = 2;

К = 1;

К_ип = 2,5;

К_иу = 0,3;

К_р1= 12; Т_и1= 0,43;

К_р2= 2,5; Т_и2= 0,43.

По параметрам настройки ПИ-регулятора К_и и Т_и определяем обобщенные параметры диаграммы Вышнеградского, А и Б:

А= а₁; В= а₂;

³vа₀²*а₃ ³vа₀*а₃²

в₀ = К_об ^. Т_ип = 2 * 2,5 = 5

в₁ = К_об = 2

а₀ = Т_об ^. Т_д = 16,6 * 2,5 = 41,5

а₁ = Т_об + Т_д = 16,6 + 2,5 = 19,1

а₂= 1+К_об*К_д*К_иу*К_р

К_общ = К_об*К_д*К_иу =1,5

а₃= К_общ *S₀;

При К_р1= 12 и Т_и1= 0,43, определим А₁ и В₁:

Т_и= 1/ S_o, S_o= 1/Т_и1, S_o= 1/0,43= 2,326;

А₁= а₁ = 19,1 = 1,0506;

³vа₀²*а_3; ³v41,5²*1,5*2,326

В₁= а₂ = 1+(К_об*К_д*К_иу*К_р1) = 1+(2*2*0,3*12) = 2,386;

³vа₀*а₃^{2 3}v41,5*1,5*2²*2,326 7,96

Для А₁, В₁— колебательный сходящийся процесс.

При К_р2= 2,5 и Т_и2= 0,43, определим А₂ и В₂:

Т_и= 1/ S_o, S_o= 1/Т_и2, S_o= 1/0,43= 2,326;

А₂= а₁ = 19,1 = 1,0506;

³vа₀²*а₃ ³v41,5²*1,5*2,326

В₁= а₂ = 1+К_об*К_д*К_иу*К_р2 = 1+(2*2*0,3*12) = 0,596;

³ vа₀*а₃^{2 3} v41,5*1,5*2*2,326 7,96

Для А₂, В₂— колебательный расходящийся процесс.

2.3 Кривые разгона ОР и АР по заданным коэффициентам их характеристик Кривая разгона объекта регулирования определяет закон изменения выходной величины y (t) при ступенчатом входном воздействии x (t) = 1(t), при начальных условиях t = 0, y (0) = 0.

Дифференциальное уравнение объекта регулирования записывается в следующем виде:

При t > 0

Т_ОБ dy/dt + y = К_об * x

Для однородного дифференциального уравнения

Т_об dy/dt + y = 0,

характеристическое уравнение Т_об * р + 1 = 0

имеет корень р = - 1/Т_ОБ.

Решением дифференциального уравнения является сумма любого частного решения у_част = К_об * x (t) и общего решения однородного дифференциального уравнения у_{общ. одн.} = С * у^-t/Тоб

y (t) = К_об * x (t) + С * у^-t/Тоб

Постоянную интегрирования С определяем при нулевых начальных условиях t = 0, y (0) = 0:

тогда 0= К_об * x (t) + С, откуда С = -К_об * x (t);

Аналитическое выражение для кривой разгона ОР х (t)= 1(t) (решения дифференциального уравнения) — есть переходная характеристика.

y (t) = К_об * x (t) * (1-е^-t/Тоб)

По условию Т_об = 16,6; К_об = 2;

y (t) = 2* 1(t)* (1-е^-t/16,6)

По этому выражению строим кривую разгона ОР одноемкостного статического объекта по данным таблицы:

ПИ-регулятор включает в себя пропорциональный и интегрированный закон регулирования, что позволяет изменять как величину, так и скорость перемещения регулирующего органа пропорционально отклонению регулируемой величины от заданного значения.

Уравнение ПИ-регулятора:

х (t) = K_P * y (t) + 1/Т_и *? ydt

при единичном возмущении:

y (t) = 1(t)

х (t) = K_P * 1 + 1/Т_и * t ?

Кривая разгона ПИ-регулятора является прямой, тогда строим по двум точкам:

ДляКр₁=12, Ти₁= 0,43:

при t = 0, х (t) = K_P = 12

при t = Т_и = 3,45,х (t) = K_P + 1 = 13;

ДляКр₂=2,5;Ти₁= 0,43:

при t = 0, х (t) = K_P = 2,5

при t = Т_и = 0,43, х (t) = K_P + 1 = 3,5.

2.4 Передаточные функции всех элементов АСР согласно заданию АСР 3-го порядка состоит из следующих передаточных функций:

1) Передаточная функция статического объекта первого порядка (ОР):

К_об = 2Т_об = 16,6

W_об (р) = К_об / Т_об * р + 1 = 2/16,6 * р + 1

2) Передаточная функция измерительного преобразователя описывается уравнением апериодического звена первого порядка с коэффициентами (датчик):

К_ип = 2,5Т_ип = 2,5

W_ип(р) = К_ип / Т_ип * р + 1 = 2,5/2,5 * р + 1

3) Передаточная функция автоматического ПИ-регулятора:

W_р(р) = К_Р + 1 / Т_и * р или W_р(р) = К_Р1 + S₀ * р, где S₀ = 1 / Т_и

W_р1 = 12 +1 / 0,43 * р

W_р2 = 2,5 +1 / 0,43 * р

4) Передаточная функция исполнительного устройства описывается уравнением усилительного звена с коэффициентом усиления К_иу = 0,3

W_иу(р) = К_иу = 0,3.

2.5 Структурная схема замкнутой АСР

Z (t) — возмущающее воздействие;

y (t) — регулируемый параметр;

y_тек(t) — текущее значение регулируемого параметра;

U (t) — заданное значение регулируемого параметра;

X (t) — регулирующее воздействие;

W_об(р) — передаточная функция объекта регулирования;

W_д (р) — передаточная функция датчика;

W_p(р) — передаточная функция автоматического регулятора;

W_иу (р) — передаточная функция исполнительного устройства

2.6 Выражение эквивалентной передаточной функции АСР, определяя коэффициенты b₀, b₁, а₀, а₁, а₂, а_3.

Передаточная функция замкнутой системы:

Коэффициент для передаточной функции замкнутой системы автоматического регулирования:

в₀ = Т_д ^. К_об = 2 ^. 2,5 = 5

в₁ = К_об = 2

а₀ = Т_об ^. Т_д = 16,6 ^. 2,5 = 41,5

а₁ = Т_об + Т_д = 16,6 + 2,5 = 19,1

а₂= 1+К_об*К_д*К_иу*К_р

К_общ = К_об*К_д*К_иу =1,5

а₃= К_общ *S₀;

При К_р1= 12; Т_и1= 0,43:

S_о = 2,326

а₂ = 1+К_об*К_д*К_иу*К_р1= 1+(2*2*0,3*12)= 19

а₃ = К_общ *S₀=1,5*2,326= 3,489

При К_р2= 2,5; Т_и2= 0,43:

S_о = 2,326

а₂ = 1+К_об*К_д*К_иу*К_р2 = 1+(2*2*0,3*2,5)= 4,75

а₃ = К_общ. ^. S₀= 3,489

2.7 Расчет по программам АСР-V (в качестве исходных данных вводятся коэффициенты диаграммы Вышнеградскогоjbwb’етры настройки ПИ — регулятора)

Так как АСР 3-его порядка, в программы введено общее выражение передаточной функции объекта регулирования. Принимаем: Т₁ = 0; Т₂ = Т_об

1. При Кр₁= 12, Ти₁= 0,43:

А = 0,0506р₁ = - 0,207

В = 2,386р₂ (б) = - 0,126

S₀=2,326р₃ (в) = 0,624

Расчет ЭВМ выдал значения регулируемого параметра в переходном процессе с шагом 0,5:

0.000 0.058 0.109 0.148 0.172

0.181 0.175 0.155 0.127 0.092

0.054 0.018 -0.014 -0.039 -0.056

— 0.065 -0.065 -0.058 -0.045 -0.029

— 0.012 0.006 0.021 0.033 0.042

0.045 0.044 0.040 0.033 0.023

0.013 0.003 -0.005 -0.012 -0.017

— 0.020 -0.020 -0.018 -0.015 -0.010

2. При Кр₂= 2,5, Ти₁= 0,43:

А = 0,0506р₁ = - 0,538

В = 0,596р₂ (б) = 0,039

S₀=2,326 р₃ (в) = 0,393

Расчет ЭВМ выдал значения регулируемого параметра в переходном процессе с шагом 0,5:

0.000 0.059 0.115 0.166 0.211

0.247 0.274 0.290 0.295 0,288

0,269 0.238 0.196 0.144 0.085

0.020 -0.049 -0.118 -0.186 -0.249

— 0.305 -0.350 -0.384 -0.404 -0.408

— 0.397 -0.369 -0.325 -0.267 -0,196

— 0.115 -0.025 0.069 0.164 0.256

0.342 0.417 0.479 0.524 0.551

2.8 График переходного процесса в АСР

2.9 Оценка показателей качества переходного процесса К_р1= 12; Т_и1= 0,43: Тип процесса — колебательный сходящийся.

Показатели качества переходного процесса:

1) Динамическая ошибка — максимальное отклонение регулируемого параметра:

y_дин1 = y_max — U

y_дин1 = 0,181 — 0 = 0,181

2) ПИ-регулятор является устойчивым и осуществляет регулирование без статической ошибки.

3) Время регулирования оценивается временем, за которое регулируемый параметр в процессе регулирования становится меньше заданной точности регулирования (заданная точность 5%) — 45 секунды

4) Коэффициент перерегулирования:

К_{перерег} = y_min / y_max * 100%

К_{перерег} = 0,065 _/ 0,181 * 100 = 35,91%;

Для К_р2= 2,5; Т_и2= 0,43:

Тип процесса — колебательный расходящийся.

Показатели качества переходного процесса:

1) Динамическая ошибка — максимальное отклонение регулируемого параметра:

y_дин1 = y_max — U

y_дин1 = 0,551 — 0 = 0,551

2) ПИ-регулятор является устойчивым и осуществляет регулирование без статической ошибки.

3) Время регулирования оценивается временем, за которое регулируемый параметр в процессе регулирования становится меньше заданной точности регулирования (заданная точность 5%) — 10 секунд.

4) Коэффициент перерегулирования:

К_{перерег} = y_min / y_max * 100%

К_{перерег} = 0,408 _/ 0,551 * 100 = 74,04%;

2.10 Сравнительный анализ показателей качества регулирования при двух различных значениях К_Р при Т_И = const

Анализ кривых переходных процессов в АСР третьего порядка показывает, что при изменении коэффициентов усиления регулятора К_Р1 и К_р2 при постоянном времени интегрирования Т_и, коэффициент перерегулирования более 20%, что означает, что процесс регулирования является не эффективным.

1. Черенкова В. В., Промышленные приборы и средства автоматизации: справочник, 1987.

2. Голубятников В. А., Шувалов В. В., Автоматизация производственных процессов. 2-е изд. М.: Химия, 1985.

3. Буртоликова З. Л., Александров И. А., Автоматика, автоматизация и АСУТП, Альбом структурно-логических схем к рабочей программе. М: ВЗПИ, 1988, Часть 2.

4. Полоцкий Л. М., Лапшенков Г. И., Автоматизация химических производств. М.: Химия, 1982

5. Шувалов В. В. и др. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. М: Химия, 1991

6. Под ред. Дудникова Е. Г. Автоматическое управление в химической промышленности: Учебник для вузов. М.; Химия, 1987.

7. Токарев В. В, Ягупов З. Х., Приезжаев А. Б., Скабнин Н. Г., Расчет оптимальных параметров промышленных автоматических систем регулирования, 2003.