Технологические параметры, объекты систем автоматического контроля. Понятия датчика и преобразователя. Преобразователи перемещения. Дифференциальные и мостовые схемы подключения датчиков. Датчики физических величин - температуры, давления, механических усилий.Контроль уровней сред. Классификация и схемы уровнемеров. Методы контроля расходов жидких сред. Расходомеры переменного уровня и переменного перепада давления. Ротаметры. Электромагнитные расходомеры. Реализация расходомеров и область применения. Способы контроля плотности суспензий. Маномет-рический, весовой и радиоизотопный плотномеры. Контроль вязкости и состава суспензий. Автоматические гранулометры, анализаторы. Влагомеры продуктов обогащения.
7.1 Общая характеристика систем контроля. Датчики и преобразователи
В основе автоматического управления - непрерывное и точное измерение входных и выходных технологических параметров процесса обогащения.
Следует различать основные выходные параметры процесса (или конкретной машины), характеризующие конечную цель процесса, например, качественно-количественные показатели продуктов переработки, и промежуточные (косвенные) технологические параметры, определяющие условия протекания процесса, режимы работы оборудования. Например, для процесса обогащения угля в отсадочной машине, основными выходными параметрами могут быть выход и зольность выпускаемых продуктов. В тоже время на указанные показатели влияет ряд промежуточных факторов, например, высота и разрыхленность постели в отсадочной машине.
Кроме того, существует ряд параметров, характеризующих техническое состояние технологического оборудования. Например, температура подшипников технологических механизмов; параметры централизованной жидкой смазки подшипников; состояние перегрузочных узлов и элементов поточно-транспортных систем; наличие материала на ленте конвейера; присутствие металлических предметов на ленте конвейера, уровни материала и пульпы в емкостях; длительность работы и время простоев технологических механизмов и т.д.
Особую трудность вызывает автоматический оперативный контроль технологических параметров, определяющих характеристику сырья и продуктов обогащения, таких как зольность, вещественный состав руды, степень раскрытия минеральных зерен, гранулометрический и фракционный состав материалов, степень окисленности поверхности зерен и пр. Данные показатели или контролируются с недостаточной точностью или не контролируются совсем.
Большое число физических и химических величин, определяющих режимы процессов переработки сырья, контролируется с достаточной точностью. К ним можно отнести плотность и ионный состав пульпы, объемные и массовые расходы технологических потоков, реагентов, топлива, воздуха; уровни продуктов в машинах и аппаратах, температура среды, давление и разряжение в аппаратах, влажность продуктов и т.д.
Таким образом, многообразие технологических параметров, их важность при управлении процессами обогащения требуют разработки надежно действующих систем контроля, где оперативное измерение физико-химических величин основано на самых различных принципах.
Нужно отметить, что надежность работы систем контроля параметров в основном определяет работоспособность систем автоматического управления процессами.
Системы автоматического контроля служат основным источником информации при управлении производством, в том числе в АСР и АСУТП.
Датчики и преобразователи
Основным элементом систем автоматического контроля, который определяет надежность и работоспособность всей системы, является датчик, непосредственно контактирующий с контролируемой средой.
Датчиком называется элемент автоматики, осуществляющий преобразование контролируемого параметра в сигнал, пригодный для ввода его в систему контроля или управления.
Типовая система автоматического контроля в общем случае включает первичный измерительный преобразователь (датчик), вторичный преобразователь, линию передачи информации (сигнала) и регистрирующий прибор (рис. 7.1). Зачастую система контроля имеет только чувствительный элемент, преобразователь, линию передачи информации и вторичный (регистрирующий) прибор.
Датчик, как правило, содержит чувствительный элемент, воспринимающий величину измеряемого параметра, а в некоторых случаях и преобразующий ее в сигнал, удобный для дистанционной передачи на регистрирующий прибор, а при необходимости – в систему регулирования.
Примером чувствительного элемента может быть мембрана дифференциального манометра, измеряющего разность давлений на объекте. Перемещение мембраны, вызванное усилием от разности давлений, преобразуется с помощью дополнительного элемента (преобразователь) в электрический сигнал, который легко передается на регистратор.
Другой пример датчика – термопара, где совмещены функции чувствительного элемента и преобразователя, так как на холодных концах термопары возникает электрический сигнал, пропорциональный измеряемой температуры.
Подробнее о датчиках конкретных параметров будет изложено ниже.
Преобразователи классифицируются на однородные и неоднородные. Первые имеют одинаковые по физической природе входную и выходную величину. Например, усилители, трансформаторы, выпрямители – преобразуют электрические величины в электрические с другими параметрами.
Среди неоднородных самую большую группу составляют преобразователи неэлектрических величин в электрические (термопары, терморезисторы, тензометрические датчики, пьезоэлементы и пр.).
По виду выходной величины данные преобразователи подразделяются на две группы: генераторные, имеющие на выходе активную электрическую величину – ЭДС и параметрические – с пассивной выходной величиной в виде R, L или С.
Преобразователи перемещения. Наибольшее распространение получили параметрические преобразователи механического перемещения. К ним относятся R (резисторные), L (индуктивные) и С (емкостные) преобразователи. Данные элементы изменяют пропорционально входному перемещению выходную величину: электрическое сопротивление R, индуктивность L и емкость С (рис. 7.2).
Индуктивный преобразователь может быть выполнен в виде катушки с отводом от средней точки и перемещающимся внутри плунжером (сердечником).
Рассматриваемые преобразователи обычно подключаются к системам контроля с помощью мостовых схем. В одно из плеч моста (рис. 7.3 а) подключается преобразователь перемещения. Тогда выходное напряжение (U вых), снимаемое с вершин моста А-В, будет изменяться при перемещении рабочего элемента преобразователя и может быть оценено выражением:
Напряжение питания моста (U пит) может быть постоянного (при Z i =R i) или переменного (при Z i =1/(Cω) или Z i =Lω) тока с частотой ω.
В мостовую схему с R элементами могут подключаться терморезисторы, тензо- и фоторезисторы, т.е. преобразователи выходной сигнал которых – изменение активного сопротивления R.
Широко применяемый индуктивный преобразователь обычно подключается к мостовой схеме переменного тока, образованной трансформатором (рис. 7.3 б). Выходное напряжение в этом случае выделяется на резисторе R, включенном в диагональ моста.
Особую группу составляют широко применяемые индукционные преобразователи - дифференциально-трансформаторные и ферро-динамические (рис. 7.4). Это – генераторные преобразователи.
Выходной сигнал (U вых) данных преобразователей формируется в виде напряжения переменного тока, что исключает необходимость применения мостовых схем и дополнительных преобразователей.
Дифференциальный принцип формирования выходного сигнала в трансформаторном преобразователе (рис. 6.4 а) основан использовании двух вторичных обмоток, включенных навстречу друг другу. Здесь выходной сигнал – векторная разница напряжений, возникающих во вторичных обмотках при подаче напряжения питания U пит, при этом выходное напряжение несет две информации: абсолютное значение напряжения – о величине перемещения плунжера, а фаза – направление его перемещения:
Ū вых = Ū 1 – Ū 2 = kХ вх,
где k – коэффициент пропорциональности;
Х вх – входной сигнал (перемещение плунжера).
Дифференциальный принцип формирования выходного сигнала увеличивает чувствительность преобразователя в два раза, так как при перемещении плунжера, например, вверх, растет напряжение в верхней обмотке (Ū 1) из-за роста коэффициента трансформации, на столько же снижается напряжение в нижней обмотке (Ū 2).
Дифференциально-трансформаторные преобразователи получили широкое распространение в системах контроля и регулирования благодаря своей надежности и простоты. Их размещают в первичных и вторичных приборах измерения давления, расхода, уровней и пр.
Более сложными является ферродинамические преобразователи (ПФ) угловых перемещений (рис. 7.4 б и 7.5).
Здесь в воздушном зазоре магнитопровода (1) помещен цилиндрический сердечник (2) с обмоткой в виде рамки. Сердечник установлен с помощью кернов и может поворачиваться на небольшой угол α вх в пределах ± 20 о. На обмотку возбуждения преобразователя (w 1) подается переменное напряжение 12 – 60 В, в результате чего возникает магнитный поток, пересекающий площадь рамки (5). В ее обмотке индуцируется ток, напряжение которого (Ū вых) при прочих равных условиях пропорционально углу поворота рамки (α вх), а фаза напряжения изменяется при повороте рамки в ту или иную сторону от нейтрального положения (параллельно магнитному потоку).
Статические характеристики преобразователей ПФ показаны на рис. 7.6.
Характеристику 1 имеет преобразователь без включенной обмотки смещения (W см). Если нулевое значение выходного сигнала нужно получить не в среднем, а в одном из крайних положений рамки, следует включить обмотку смещения последовательно с рамкой.
В этом случае выходной сигнал – сумма напряжений снимаемых с рамки и обмотки смещения, чему соответствует характеристика 2 или 2 " , если изменить подключение обмотки смещения на противофазное.
Важным свойством ферродинамического преобразователя является возможность изменения крутизны характеристики. Это достигается изменением величины воздушного зазора (δ) между неподвижным (3) и подвижным (4) плунжерами магнитопровода, ввинчивая или вывинчивая последний.
Рассмотренные свойства преобразователей ПФ используют при построении относительно сложных систем регулирования с выполнением простейших вычислительных операция.
Общепромышленные датчики физических величин.
Эффективность процессов обогащения во многом зависит от технологических режимов, которые в свою очередь определяются значениями параметров, влияющих на эти процессы. Многообразие обогатительных процессов обуславливает большое количество технологических параметров, требующих своего контроля. Для контроля некоторых физических величин достаточно иметь стандартный датчик с вторичным прибором (например, термопара - автоматический потенциометр), для других необходимы дополнительные устройства и преобразователи (плотномеры, расходомеры, золомеры и пр.).
Среди большого количества промышленных датчиков можно выделить датчики, широко применяемые в различных отраслях промышленности в качестве самостоятельных источников информации и как составные элементы более сложных датчиков.
В данном подразделе рассмотрим наиболее простые общепромышленные датчики физических величин.
Датчики температуры. Контроль тепловых режимов работы котлоагрегатов, сушильных установок, некоторых узлов трения машин позволяет получить важную информацию, необходимую для управления работой указанных объектов.
Манометрические термометры . Данное устройство включает в себя чувствительный элемент (термобаллон) и показывающий прибор, соединенных капиллярной трубкой и заполненных рабочим веществом. Принцип действия основан на изменении давления рабочего вещества в замкнутой системе термометра в зависимости от температуры.
В зависимости от агрегатного состояния рабочего вещества различают жидкостные (ртуть, ксилол, спирты), газовые (азот, гелий) и паровые (насыщенный пар низкокипящей жидкости) манометрические термометры.
Давление рабочего вещества фиксируется манометрическим элементом – трубчатой пружиной, раскручивающейся при повышении давления в замкнутой системе.
В зависимости от вида рабочего вещества термометра пределы измерения температуры составляют от – 50 о до +1300 о С. Приборы могут оснащаться сигнальными контактами, записывающим устройством.
Терморезисторы (термосопротивления). Принцип действия основан на свойстве металлов или полупроводников (термисторы ) изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Эта зависимость для терморезисторов имеет вид:
где R 0 – сопротивление проводника при Т 0 =293 0 К;
α Т – температурный коэффициент сопротивления
Чувствительные металлические элементы изготавливают в виде проволочных катушек или спиралей в основном из двух металлов – меди (для низких температур – до 180 о С) и платины (от -250 о до 1300 о С), помещенных в металлический защитный кожух.
Для регистрации контролируемой температуры терморезистор, как первичный датчик, подключается к автоматическому мосту переменного тока (вторичный прибор), данный вопрос будет рассмотрен ниже.
В динамическом отношении терморезисторы можно представить апериодическим звеном первого порядка с передаточной функцией W(p)=k/(Tp+1) , если же постоянная времени датчика (Т ) значительно меньше постоянной времени объекта регулирования (контроля), допустимо принимать данный элемент как пропорциональное звено.
Термопары. Для измерения температур в больших диапазонах и свыше 1000 о С обычно применяют термоэлектрические термометры (термопары).
Принцип действия термопар основан на эффекте возникновения ЭДС постоянного тока на свободных (холодных) концах двух разнородных спаянных проводников (горячий спай) при условии, что температура холодных концов отличается от температуры спая. Величина ЭДС пропорциональна разности этих температур, а величина и диапазон измеряемых температур зависит от материала электродов. Электроды с нанизанными на них фарфоровыми бусами помещаются в защитную арматуру.
Подключение термопар к регистрирующему прибору производится специальными термоэлектродными проводами. В качестве регистрирующего прибора может использоваться милливольтметр с определенной градуировкой или автоматический мост постоянного тока (потенциометр).
При расчете систем регулирования термопары могут представляться, как и терморезисторы, апериодическим звеном первого порядка или пропорциональным.
Промышленность выпускает различные типы термопар (табл. 7.1).
Таблица 7.1 Характеристика термопар
Датчики давления. Датчики давления (разряжения) и перепада давления получили самое широкое применение в горно-обогатительной отрасли, как общепромышленные датчики, так и в качестве составных элементов более сложных систем контроля таких параметров, как плотность пульп, расход сред, уровень жидких сред, вязкость суспензии и п.п.
Приборы для измерения избыточного давления называются манометрами или напоромерами , для измерения вакуумметрического давления (ниже атмосферного, разряжение) – вакуумметрами или тягомерами, для одновременного измерения избыточного и вакуумметрического давления - мановакуумметрами или тягонапорометрами.
Наибольшее распространение получили датчики пружинного типа (деформационные) с упругими чувствительными элементами в виде манометрической пружины (рис. 7.7 а), гибкой мембраны (рис. 7.7 б) и гибкого сильфона.
.
Для передачи показаний на регистрирующий прибор в манометрах может быть встроен преобразователь перемещения. На рисунке показаны индукционно-трансформаторные преобразователи (2), плунжеры которых связаны с чувствительными элементами (1 и 2).
Приборы для измерения разности двух давлений (перепада) называются дифференциальными манометрами или дифманометрами (рис. 7.8). Здесь давление воздействует на чувствительный элемент с двух сторон, эти приборы имеют два входных штуцера для подачи большего (+Р) и меньшего (-Р) давления.
Дифманометры можно разделить на две основные группы: жидкостные и пружинные. По виду чувствительного элемента среди пружинных наиболее распространены мембранные (рис. 7.8а), сильфонные (рис.7.8 б), среди жидкостных - колокольные (рис. 7.8 в).
Мембранный блок (рис. 7.8 а) обычно заполняется дистиллированной водой.
Колокольные дифманометры, у которых чувствительным элементом является колокол, частично погруженный вверх дном в трансформаторное масло, являются наиболее чувствительными. Они применяются для измерения небольших перепадов давления в пределах 0 – 400 Па, например, для контроля разряжения в топках сушильных и котельных установок
Рассмотренные дифманометры относятся к бесшкальным, регистрация контролируемого параметра осуществляется вторичными приборами, на которые поступает электрический сигнал от соответствующих преобразователей перемещения.
Датчики механических усилий. К этим датчикам относятся датчики, содержащие упругий элемент и преобразователь перемещения, тензометрические, пьезоэлектрические и ряд других (рис. 7.9).
Принцип работы данных датчиков ясен из рисунка. Отметим, что датчик с упругим элементом может работать с вторичным прибором – компенсатором переменного тока, тензометрический датчик – с мостом переменного тока, пьезометрический – с мостом постоянного тока. Подробнее этот вопрос будет изложен в последующих разделах.
Тензометрический датчик представляет собой подложку на которую наклеено несколько витков тонкого провода (специальный сплав), либо металлической фольги как показано на рис. 7.9б. Датчик наклеивается на чувствительный элемент, воспринимающий нагрузку F, с ориентацией длинной оси датчика по линии действия контролируемой силы. Этим элементом может быть любая конструкция, находящаяся под воздействием силы F и работающая в пределах упругой деформации. Этой же деформации подвергается и тензодатчик, при этом проводник датчика удлиняется либо сокращается по длинной оси его установки. Последнее приводит к изменению его омического сопротивления по известной из электротехники формуле R=ρl/S.
Добавим здесь, что рассмотренные датчики могут быть использованы при контроле производительности ленточных конвейеров (рис.7.10 а), измерении массы транспортных средств (автомобилей, железнодорожных вагонов, рис. 7.10 б), массы материала в бункерах и пр.
Оценка производительности конвейера основана на взвешивании определенного участка нагруженной материалом ленты при постоянной скорости ее движения. Вертикальное перемещение весовой платформы (2), установленной на упругих связях, вызванное массой материала на ленте, передается на плунжер индукционно-трансформаторного преобразователя (ИТП), который формирует информацию на вторичный прибор (U вых).
Для взвешивания железнодорожных вагонов, груженых автомобилей весовая платформа (4) опирается на тензометрические блоки (5), представляющие собой металлические опоры с наклеенными тензометрическими датчиками, которые испытывают упругую деформацию, зависящую от массы объекта взвешивания.
Совокупность единичных операций образует конкретные технологические процессы. В общем случае технологический процесс реализуется посредством технологических операций, которые выполняются параллельно, последовательно или комбинированно, когда начало последующей операции сдвинуто по отношению к началу предыдущей.
Управление технологическим процессом представляет собой организационно-техническую задачу, и решают ее сегодня, создавая автоматические или автоматизированные системы управления технологическим процессом.
Целью управления технологическим процессом может быть: стабилизация некоторой физической величины, изменение ее по заданной программе или, в более сложных случаях, оптимизация некоторого обобщающего критерия, наибольшая производительность процесса, наименьшая себестоимость продукта и т. д.
К числу типовых технологических параметров, подлежащих контролю и регулированию, относят расход, уровень, давление, температуру и ряд показателей качества.
Замкнутые системы используют текущую информацию о выходных величинах, определяют отклонение ε(t) управляемой величины Y(t) от ее заданного значения Y(o) и принимают действия к уменьшению или полному исключению ε (t ).
Простейшим примером замкнутой системы, называемой системой регулирования по отклонению, служит показанная на рисунке 1 система стабилизации уровня воды в баке. Система состоит из измерительного преобразователя (датчика) 2 уровня, устройства 1
управления (регулятора) и исполнительного механизма 3, управляющего положением регулирующего органа (клапана) 5.
Рис. 1. Функциональная схема автоматической системы управления: 1 - регулятор, 2 - измерительный преобразователь уровня, 3 - исполнительный механизм, 5 - регулирующий орган.
Регулирование расхода
Системы регулирования расхода характеризуются малой инерционностью и частой пульсацией параметра.
Обычно управление расходом - это дросселирование потока вещества с помощью клапана или шибера, изменение напора в трубопроводе за счет изменения частоты вращения привода насоса или степени байпасирования (отведения части потока через дополнительные каналы).
Принципы реализации регуляторов расхода жидких и газообразных сред показаны на рисунке 2, а, сыпучих материалов - на рисунке 2, б.
Рис. 2. Схемы регулирования расхода: а - жидких и газообразных сред, б - сыпучих материалов, в - соотношения сред.
В практике автоматизации технологических процессов встречаются случаи, когда требуется стабилизация соотношения расходов двух или более сред.
В схеме, показанной на рисунке 2, в, поток к G1 - ведущий, а поток G2 = γ G - ведомый, где γ - коэффициент соотношения расходов, который устанавливают в процессе статической настройки регулятора.
При изменении ведущего потока G1 регулятор FF пропорционально изменяет ведомый поток G2.
Выбор закона регулирования зависит от требуемого качества стабилизации параметра.
Регулирование уровня
Системы регулирования уровня имеют те же особенности, что и системы регулирования расхода. В общем случае поведение уровня описывается дифференциальным уравнением
D(dl/dt) = G вх - G вых + G обр,
где S - площадь горизонтального сечения емкости, L - уровень, Gвх, G вых - расход среды на входе и выходе, G обр - количество среды, увеличивающейся или уменьшающейся в емкости (может быть равно 0) в единицу времени t .
Постоянство уровня свидетельствует о равенстве количеств подаваемой и расходуемой жидкости. Это условие может быть обеспечено воздействием на подачу (рис. 3, а) или расход (рис. 3, б) жидкости. В варианте регулятора, показанном на рисунке 3, в, используют для стабилизации параметра результаты измерений подачи и расхода жидкости.
Импульс по уровню жидкости - корректирующий, он исключает накопление ошибки вследствие неизбежных погрешностей, возникающих при изменении подачи и расхода. Выбор закона регулирования также зависит от требуемого качества стабилизации параметра. При этом возможно использование не только пропорциональных, но также и позиционных регуляторов.
Рис. 3. Схемы систем регулирования уровня: а - с воздействием на подачу, б и в - с воздействием на расход среды.
Регулирование давления
Постоянство давления, как и постоянство уровня, свидетельствует о материальном балансе объекта. В общем случае изменение давления описывается уравнением:
V(dp/dt) = G вх - G вых + G обр,
где V- объем аппарата, р - давление.
Способы регулирования давления аналогичны способам регулирования уровня.
Регулирование температуры
Температура - показатель термодинамического состояния системы. Динамические характеристики системы регулирования температуры зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата. Особенность такой системы - значительная инерционность объекта и нередко измерительного преобразователя.
Принципы реализации регуляторов температуры аналогичны принципам реализации регуляторов уровня (рис. 2) с учетом управления расходом энергии в объекте. Выбор закона регулирования зависит от инерционности объекта: чем она больше, тем закон регулирования сложнее. Постоянная времени измерительного преобразователя может быть снижена за счет увеличения скорости движения теплоносителя, уменьшения толщины стенок защитного чехла (гильзы) и т. д.
Регулирование параметров состава и качества продукта
При регулировании состава или качества продукта возможна ситуация, когда параметр (например, влажность зерна) измеряют дискретно. В этой ситуации неизбежны потеря информации и снижение точности динамического процесса регулирования.
Рекомендуемая схема регулятора, стабилизирующего некоторый промежуточный параметр Y(t), значение которого зависит от основного регулируемого параметра - показателя качества продукта Y(ti
), показана на рисунке 4.
Рис. 4. Схема системы регулирования качества продукта: 1 - объект, 2- анализатор качества, 3 - экстраполяционный фильтр, 4 - вычислительное устройство, 5 - регулятор.
Вычислительное устройство 4, используя математическую модель связи между параметрами Y(t) и Y(ti ), непрерывно оценивает показатель качества. Экстраполяционный фильтр 3 выдает оценочный параметр качества продукта Y(ti ) в промежутках между двумя измерениями.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки Российской Федерации
Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Самарский государственный технический университет» в г. Сызрани
Кафедра «Электромеханика и промышленная автоматика»
Курсовой проект
по дисциплине «Проектирование автоматизированных систем»
Регулирование технологических параметров на установке ЭОЛУ АВТ-6
Выполнил:
Студент гр. ЭАБЗ-401 Голотин К.О.
Проверил:
Ст. преподаватель Шумилов Е.А.
Сызрань 2014
Введение
1. Описание работы установки
3. Расчёты регуляторов
Заключение
Введение
Нефть известна человеку с древнейших времен. В течение многих столетий нефтью пользовались в качестве лечебного средства, топлива и осветительного материала. По мере развития техники в России развивалась и нефтеперерабатывающая промышленность, которая обеспечивала получение из нефти различных нефтепродуктов. Перед нефтяной промышленностью стоит огромная задача: обеспечить сырьем и промежуточными продуктами химическую и нефтехимическую промышленность. Сырьем для развития этих отраслей промышленности служат природный и попутный газ, сжиженный газ и отдельные углеводородные фракции. Кроме того, на нефтеперерабатывающих заводах стали получать ароматические углеводороды, сырье для сажи, синтетические жирные кислоты и спирты, а также многие другие продукты. Современная нефтеперерабатывающая промышленность постоянно идет под знаком научно-технических разработок. Основными технологическими процессами на нефтеперерабатывающих предприятиях являются: обессоливание и обезвоживание нефти на первичном этапе, каталитический крекинг, каталитический риформинг, изомеризация, гидрогенизационная очистка нефтяных дистиллятов и др. - на вторичном и последующих этапах.
Широкое распространение вторичных процессов переработки нефти повышает требования к четкости разделения нефти и более глубоким отборам. Современные технологические процессы переработки нефти отличаются большой производительностью, высокими скоростями потоков и определенными значениями параметров, отклонение которых допускается лишь в самых небольших пределах.
На современном мировом рынке предъявляются высокие требования к качеству нефти и нефтепродуктов, поэтому необходимо непрерывно улучшать качество выпускаемой продукции. А это требует применения современных высокоточных систем управления.
Процессы перегонки нефти осуществляют на так называемых атмосферных трубчатых (AT) и вакуумных трубчатых (ВТ) или атмосферно-вакуумных трубчатых (АВТ) установках.
На установках AT осуществляют неглубокую перегонку нефти с получением топливных (бензиновых, керосиновых, дизельных) фракций и мазута. Установки ВТ предназначены для перегонки мазута. Получаемые на них газойлевые, масляные фракции и гудрон используют в качестве сырья процессов последующей (вторичной) переработки их с получением топлив, смазочных масел, кокса, битумов и других нефтепродуктов.
Современные процессы перегонки нефти являются комбинированными с процессами обезвоживания и обессоливания, вторичной перегонки и стабилизации бензиновой фракции: ЭЛОУ-АТ, ЭЛОУ-АВТ и т. д.
1. Описание работы установки
Технологический процесс в атмосферном блоке ЭЛОУ АВТ-6 протекает следующим образом. Обезвоженную и обессоленную на ЭЛОУ нефть дополнительно подогревают в теплообменниках и подают на разделение в колонну частичного отбензинивания 1. Уходящие с верха этой колонны углеводородный газ и легкий бензин конденсируют и охлаждают в аппаратах воздушного и водяного охлаждения и направляют в емкость орошения. Часть конденсата возвращают на верх колонны 1 в качестве острого орошения. Отбензиненную нефть с низа колонны 1 подают в трубчатую печь 4, где нагревают до требуемой температуры и направляют в атмосферную колонну 2. Часть отбензиненной нефти из печи 4 возвращают в низ колонны 1 в качестве горячей струи. С верха колонны 2 отбирают тяжелый бензин, а сбоку через отпарные колонны 3 выводят топливные фракции 180-220 (230), 220 (230)-280 и 280-350 °С. Атмосферная колонна, кроме острого орошения, имеет два циркуляционных орошения, которыми отводят тепло ниже тарелок отбора фракций 180-220 и 220-280 °С. В нижние части атмосферной и отпарных колонн подают перегретый водяной пар для отпарки легко кипящих фракций. С низа атмосферной колонны выводят мазут, который направляют на блок вакуумной перегонки.
2. Технологическая схема установки
На рис. 1 показана принципиальная схема блока атмосферной перегонки нефти установки ЭЛОУ АВТ-6.
1- отбензинивающая колонна;
2 - атмосферная колонна;
3 - отпарные колонны;
4 - атмосферная печь;
I - нефть с ЭЛОУ;
II - легкий бензин;
III- тяжелый бензин;
IV - фракция 180-220 ;
V - фракция 220-280 ;
VI - фракция 280-350 ;
VII - мазут;
IX - водяной пар.
3. Расчет регуляторов
Таблица 1 Данные для расчета
нефтеперерабатывающий элоу промышленность
Для регулирования параметров используется трехконтурная система подчиненного регулирования. Структурная схема такой системы показана на рис.2.
Для системы регулирования температуры в атмосферной печи:
R1(s) - передаточная функция регулятора скорости электродвигателя;
W11(s) - передаточная функция тиристорного преобразователя;
W12(s) - передаточная функция электродвигателя;
Wос1(s) - передаточная функция датчика скорости;
R2(s) - передаточная функция регулятора расхода топлива;
W21(s) - передаточная функция насоса;
Wос2(s) - передаточная функция датчика расхода топлива;
R3(s) - передаточная функция регулятора температуры в атмосферной печи;
W31(s) - передаточная функция атмосферной печи;
Wос3(s) - передаточная функция датчика температуры атмосферной печи.
Первый контур системы регулирования по скорости настроим на технический оптимум (рис.3).
Желаемая передаточная функция первого разомкнутого контура:
С другой стороны:
Подставив в формулу (2) значение, можно рассчитать передаточную функцию регулятора:
Проверим правильность вычислений с помощью компьютерного моделирования в Simulink. На (рис.5) изображен график переходного процесса, параметры которого соответствуют техническому оптимуму.
Рис. 4 Схема модели системы электропривода
Рис. 5 График переходного процесса
Передаточная функция первого замкнутого контура:
Второй контур системы регулирования расхода топлива настроим на технический оптимум (рис.6).
Желаемая передаточная функция второго разомкнутого контура:
С другой стороны:
Подставив в формулу (4) значение, можно рассчитать передаточную функцию регулятора:
Проверим правильность вычислений с помощью компьютерного моделирования в Simulink. На (рис.8) изображен график переходного процесса, параметры которого соответствуют техническому оптимуму.
Рис. 7 Схема модели системы электропривода
Рис. 8 График переходного процесса
Передаточная функция второго замкнутого контура:
Третий контур системы регулирования температуры настроим на симметричный оптимум (рис.9).
Желаемая передаточная функция третьего разомкнутого контура:
С другой стороны:
Подставив в формулу (6) значение, можно рассчитать передаточную функцию регулятора:
Проверим правильность вычислений с помощью компьютерного моделирования в Simulink. На (рис.11) изображен график переходного процесса, параметры которого соответствуют техническому оптимуму.
Рис. 10 Схема модели системы электропривода
Рис. 11 График переходного процесса
Заключение
В ходе данной курсовой работы были рассчитаны регуляторы для каждого контура системы подчиненного регулирования, правильность которых проверялось с помощью компьютерного моделирования в Simulink. По полученным графикам переходного процесса были рассчитаны перерегулирование, время рассогласования, максимальное время и время переходного процесса. Рассчитанные значения соответствуют стандартным, в зависимости от выбранного условия (технический или симметричный оптимумы). Так же подробно изучен технологический процесс в атмосферном блоке ЭЛОУ АВТ-6, который отличается большой производительностью, высокими скоростями потоков и определенными значениями параметров, отклонение которых допускается лишь в самых небольших пределах.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Задачи нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Особенности развития нефтеперерабатывающей промышленности в мире. Химическая природа, состав и физические свойства нефти и газоконденсата. Промышленные установки первичной переработки нефти.
курс лекций , добавлен 31.10.2012
Значение химической и нефтехимической промышленности. Структура отрасли. Размещение химической и нефтехимической промышленности. Влияние химической и нефтехимической промышленности на окружающую среду. Современное состояние и тенденции развития.
реферат , добавлен 27.10.2004
Типы промышленных установок. Блок атмосферной перегонки нефти установки. Особенности технологии вакуумной перегонки мазута по масляному варианту. Перекрестноточные посадочные колонны для четкого фракционирования мазута с получением масляных дистиллятов.
реферат , добавлен 14.07.2008
Структура Московского нефтеперерабатывающого завода в Капотне: 8 основных и 9 вспомогательных цехов, в составе которых 48 технологических установок. Данные об установке ЭЛОУ-АВТ-6. Технологическая схема установки трехкратного испарения нефти ЭЛОУ-АВТ.
отчет по практике , добавлен 19.07.2012
Автоматизация химической промышленности. Назначение и разработка рабочего проекта установок гидрокрекинга, регенерации катализатора и гидродеароматизации дизельного топлива. Моделирование системы автоматического регулирования. Выбор средств автоматизации.
курсовая работа , добавлен 16.08.2012
Элементный состав нефти и характеристика нефтепродуктов. Обоснование выбора и описание технологической схемы атмосферной колонны. Расчет ректификационной колонны К-1, К-2, трубчатой печи, теплообменника, конденсатора и холодильника, подбор насоса.
курсовая работа , добавлен 11.05.2015
Разработка функциональной и структурной схемы автоматизированной системы управления процессом атмосферной перегонки нефти. Разработка соединений и подключений. Программно-математическое обеспечение системы. Расчет экономического эффекта от внедрения АСУ.
дипломная работа , добавлен 11.08.2011
История предприятия ОАО АНК "Башнефть". Обязанности мастера по контрольно-измерительным приборам и средствам автоматики. Технологический процесс промысловой подготовки нефти. Его регулирование с помощью первичных датчиков и исполнительных механизмов.
отчет по практике , добавлен 09.04.2012
Ректификация бинарных смесей. Установка атмосферной перегонки нефти. Конструкция агрегата и технологический процесс. Контроль и регулирование уровня раздела фаз нефть/вода в электродегидраторе. Разработка функциональной схемы автоматизации устройства.
курсовая работа , добавлен 07.01.2015
Процесс первичной перегонки нефти, его схема, основные этапы, специфические признаки. Основные факторы, определяющие выход и качество продуктов первичной перегонки нефти. Установка с двухкратным испарением нефти, выход продуктов первичной перегонки.
Для нормальной устойчивой работы энергоблоков АЭС необходимо поддержание целого ряда теплотехнических параметров в заданных пределах. Указанные функции реализуются системами автоматического регулирования теплотехнических параметров, от надежной, эффективной и устойчивой работы которых в значительной мере зависит работа энергоблока в целом.
В общей сложности на одном энергоблоке АЭС насчитывается около 150 локальных систем автоматического регулирования (регуляторов), из которых примерно 30-35 можно отнести к наиболее важным, при отказе которых энергоблок, как правило, отключается защитами (регуляторы уровня в ПГ, деаэраторе, БРУ-СН, давления в I контуре и др.), или происходит снижение нагрузки энергоблока (регуляторы уровня в ПВД).
Поддержание параметров вручную в течение длительного времени сложно, трудоемко и требует определенных навыков у оперативного персонала. Эксплуатация и оперативное обслуживание регуляторов на энергоблоке требует от персонала знания основ теории автоматического регулирования, принципов действия, устройства и аппаратных средств, на которых реализованы регуляторы.
Системы автоматического регулирования используются в тех случаях, когда необходимо в течение длительного времени изменять или поддерживать постоянными какие-либо физические величины, называемые регулируемыми переменными (напряжение, давление, уровень, температуру, частоту вращения и т.д.), характеризующие работу машины, технологический процесс или динамику движущегося объекта.
Устройства, реализующие указанные функции, называют автоматическими регуляторами.
Объектом регулирования является машина или установка, заданный режим работы которых должен поддерживаться регулятором при помощи регулирующих органов. Совокупность регулятора и объекта регулирования носит название - система автоматического регулирования.
Система автоматического регулирования (CAP) на базе аппаратуры «Каскад-2» выполнена на основе микроэлектроники в приборном исполнении.
В качестве основных источников информации использованы первичные преобразователи типа «Сапфир-22» с тензочувствительными элементами, термометры сопротивления и термопары.
Рассмотрим функциональную схему включения блока Д07 при балансе регулятора на текущее значение параметра (рисунок 2.4).
Самобаланс авторегулятора на текущее значение основан на изменении сигнала задания. При положении переключателя “Р” (ручной режим) воздействием на кнопки “Б” (больше) или “М” (меньше) устанавливается задание регулятора.
Рисунок 2.4 – Структурная схема самобаланса авторегулятора на текущее значение параметра
При положении переключателя “А” (автоматический режим) выходные команды регулирующего блока Р27 (минус 24В) поступают на входы “ ” или “ ” вызывая изменения выходного сигнала блока Д07. При включении регулятора в работу воздействие управляющих импульсов блока Р27 на интегратор прекращается (размыкаются нормально-замкнутые контакты реле БВР) и задание регулятора остается равным значению технологического параметра на момент включения.
СУЗ реактора ВВЭР-1000
Задачи, которые должна решать система управления и защиты ЯР:
1. Обеспечения изменения мощности или другого параметра реактора в нужном диапазоне с требуемой скоростью и поддержания мощности или другого параметра на определенном заданном уровне, Следовательно, для обеспечения этой функции нужны специальные органы СУЗ. Они получили название органов автоматического регулирования (АР).
2. Компенсация изменения реактивности ЯР. Специальные органы СУЗ, выполняющие эту задачу, называются органами компенсации.
3. Обеспечение безопасной работы ЯР, что может осуществляться ЯР прекращением цепной реакции деления при аварийных ситуациях
СУЗ предназначена :
Для автоматического регулирования мощности ЯР в соответствии с мощностью, отдаваемой ТГ в сеть, или стабилизации мощности на заданном уровне;
Для пуска ЯР и вывода его на мощность в ручном режиме;
Для компенсации изменений реактивности в ручном и автоматическом режиме;
Аварийной защиты ЯР;
Для сигнализации о причинах срабатывания АЗ;
Для автоматического шунтирования некоторых сигналов АЗ;
Для сигнализации о неисправностях, возникающих в СУЗ;
Для сигнализации положения ОР ЯР на БЩУ и РЩУ, а также вызова информации о положении каждого ОР в СВРК ИВС ЭБ.
Управление реактором осуществляется воздействием на ход ЦРД ядер горючего в активной зоне.
В разрабатываемой СУЗ ЯР предусмотрен способ введения твёрдых поглотителей в виде стержней. Наряду с механическими органами управления применяется введение в теплоноситель первого контура раствора борной кислоты. Оперативное управление мощностью осуществляется механическим перемещением исполнительных органов, содержащих твёрдый поглотитель.
Требования к СУЗ :
1. К электрическим параметрам и режимам:
СУЗ рассчитывается на электропитание не менее, чем от двух независимых источников питания; при исчезновении одного источника работа СУЗ сохраняется;
При длительном отключении параметров электропитания ложного срабатывания аварийной защиты (АЗ) не происходит и органы регулирования самопроизвольно не перемещаются;
СУЗ должна обеспечить обмен информацией с разными системами.
2. К надежности:
Срок службы СУЗ не менее 10 лет;
Наработка на отказ по функциям управления 10 5 часов;
Коэффициент неготовности по функциям АЗ, требующий останова ЯР, не более, чем 10 -5 ;
Среднее время восстановления 1 час.
3. К аппаратуре:
Аппаратура СУЗ обеспечивает возможность функциональной проверки, а также параметров СУЗ при помощи средств контроля при подготовке к пуску, при работающем ЯР без его остановки, без нарушения функций системы и работоспособности реакторной установки (РУ);
Линии связи выполнены так, чтобы пожар в одной линии не привел к невозможности выполнять функции.
4. К исполнительным механизмам:
Исключение самопроизвольного перемещения в сторону увеличения реактивности (при неисправности, исчезновении питания и так далее);
Рабочая скорость перемещения 20 ± 2 мм в сек.;
Время введения рабочих органов в активную зону 1,5 – 4 сек;
Время от выдачи сигнала АЗ до начала движения 0,5 сек;
Рабочий ход органа регулирования 3500 мм.
Состав СУЗ
ПТК СГИУ-М
ПТК АЗ-ПЗ
ПТК АРМ-РОМ-УПЗ
Электропитание оборудования.
Основные понятия и определения..................................................................................................... 4
1. Структурные схемы объекта регулирования.......................................................................... 13
2. Последовательность выбора системы автоматизации........................................................... 15
3. Регулирование основных технологических параметров....................................................... 17
3.1. Регулирование расхода, соотношения расходов............................................................ 17
3.2. Регулирование уровня....................................................................................................... 19
3.3. Регулирование давления................................................................................................... 21
3.4. Регулирование температуры............................................................................................. 22
3.5. Регулирование рН.............................................................................................................. 24
3.6. Регулирование параметров состава и качества.............................................................. 26
Автоматизация основных процессов химической технологии.................................................... 27
4. Автоматизация гидромеханических процессов..................................................................... 27
4.1. Автоматизация процессов перемещения жидкостей и газов........................................ 27
4.2. Автоматизация разделения и очистки неоднородных систем...................................... 31
5. Автоматизация тепловых процессов....................................................................................... 32
5.1. Регулирование теплообменников смешения.................................................................. 33
5.2. Регулирование поверхностных теплообменников........................................................ 38
5.3. Автоматизация трубчатых печей..................................................................................... 42
6. Автоматизация массообменных процессов............................................................................ 45
6.1. Автоматизация процесса ректификации......................................................................... 46
6.2. Автоматизация процесса абсорбции................................................................................ 53
6.3. Автоматизация процесса абсорбции - десорбции.......................................................... 57
6.4. Автоматизация процесса выпаривания........................................................................... 59
6.5. Автоматизация процесса экстракции.............................................................................. 64
6.6. Автоматизация процесса сушки....................................................................................... 66
6.6.1. Процесс сушки в барабанной сушилке.................................................................... 66
6.6.2. Автоматизация сушилок с кипящим слоем............................................................. 69
7. Автоматизация реакторных процессов................................................................................... 71
Регулирование технологических реакторов............................................................................... 71
Контрольные вопросы по дисциплине для подготовки к экзамену............................................ 74
Литература.......................................................................................................................................... 76
Основные понятия и определения
Автоматизация - это техническая дисциплина, которая занимается изучением, разра- боткой и созданием автоматических устройств и механизмов (т.е. работает без непосредствен- ного вмешательства человека).
Автоматизация - это этап машинного производства, характеризующийся передачей функции управления от человека к автоматическим устройствам (техническая энциклопедия).
ТОУ - технологический объект управления - совокупность технологического оборудо- вания и реализуемого на нем технологического процесса.
АСУ - автоматизированная система управления это человеко-машинная система, обес- печивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимую для опти- мального управления в различных сферах человеческой деятельности.
Развитие химической технологии и других отраслей промышленности, где преоблада- ют непрерывные технологические процессы (нефтехимическая, нефтеперерабатывающая, ме- таллургическая и др.) потребовало создания более совершенных систем управления, чем ло- кальные АСР. Эти принципиально новые системы получили название автоматизированных систем управления технологическими процессами - АСУ ТП.
Создание АСУ ТП стало возможным благодаря созданию ЭВМ второго и третьего по- колений, увеличению их вычислительных ресурсов и надёжности.
АСУ ТП - называют АСУ для выработки и реализации управляющих воздействий на ТОУ в соответствии с принятым критерием управления - показателем, характеризующим ка- чество работы ТОУ и принимающим определенные значения в зависимости от используемых управляющих воздействий.
АТК - совокупность совместно функционирующих ТОУ и АСУ ТП образует автомати- зированный технологический комплекс.
АСУ ТП отличается от локальных САР:
Более совершенной организацией потоков информации;
Практически полной автоматизацией процессов получения, обработки и представления информации;
Возможностью активного диалога оперативного персонала с УВМ в процессе управле- ния для выработки наиболее эффективных решений;
Более высокой степенью автоматизации функций управления, включая пуск и останов- ку производства.
От систем управления автоматическими производствами типа цехов и заводов- автоматов (высшая ступень автоматизации) АСУ ТП отличается значительной степенью уча- стия человека в процессах управления.
Переход от АСУ ТП к полно- стью автоматическим производствам сдерживается:
Несовершенством технологи- ческих процессов (наличие не- механизированных технологи- ческих операций;
Низкой надёжностью техноло- гического оборудования; не- достаточной надёжностью средств автоматизации и вы- числительной техники;
Трудностями математического описания задач, решаемых че- ловеком в АСУ ТП и т.д.) Глобальная цель управления
ТОУ с помощью АСУ ТП состоит в поддержании экстремального значе- ния критерия управления при выпол- нении всех условий, определяющих
Рис. 1. Типовая функциональная структура АСУ ТП.
1 – первичная обработка информации (И); 2 – обнаружение от- клонений технологических параметров и показателей состояния оборудования от установленных значений (И); 3 – расчет не измеряемых величин и показателей (И); 4 – подготовка инфор- мации и выполнение процедур обмена со смежными и другими АСУ (И); 5 – оперативное и (или) по вызову отображение и ре- гистрация информации; 6 – определение рационального режима технологического процесса (У); 7 – формирование управляю- щих воздействий, реализующих выбранный режим.
множество допустимых значений управляющих воздействий.
В большинстве случаев глобальная цель разбивается на ряд частных целей; для дости- жения каждой из них требуется решение более простой задачи управления.
Функцией АСУ ТП называют действия системы, направленные на достижение одной из частных целей управления.
Частные цели управления, как и реализующие их функции, находятся в определенном соподчинении, образуя функциональную структуру АСУ ТП.
Функции АСУ ТП:
1. Информационные - сбор, преобразование и хранение информации о состоянии ТОУ; представление этой информации оперативному персоналу или передача ее для после- дующей обработки.
2. Первичная обработка информации о текущем состоянии ТОУ.
3. Обнаружение отклонений технологических параметров и показателей состояния обо- рудования от установленных значений.
4. Расчет значений не измеряемых величин и показателей (косвенные измерения, расчет ТЭП, прогнозирование);
5. Оперативное отображение и регистрация информации.
6. Обмен информацией с оперативным персоналом.
7. 
Обмен информацией со смежными и вышестоящими АСУ. Управляющие функции обес-
печивают поддержание экстремаль- ных значения критерия управления в условиях изменяющейся производст- венной ситуации, они делятся на две группы:
первая – определение опти- мальных управляющих воздействий;
вторая – реализация этого ре- жима путем формирования управ- ляющих воздействий на ТОУ (стаби- лизация, программное управление; программно-логическое управление).
Вспомогательные функции
обеспечивают решение внутрисис- темных задач.
Для реализации функций АСУ ТП необходимы:
Программное;
Информационное;
Организационное;
Оперативный персонал.
Рис. 2. Техническая структура КТС АСУ ТП для ра- боты в супервизорном режиме.
Техническая структура КТС АСУ ТП в режиме непосредствен- ного цифрового управления:
ИИ – источник информации; УСО – устройство связи с объ- ектом; ВК – вычислительный комплекс; УСОП – устройство связи с оперативным персоналом; ОП – оперативный персо- нал; ТСА – технические средства автоматизации для реали- зации функций локальных систем; ИУ – исполнительные устройства.
Техническое обеспечение АСУ ТП составляет комплекс технических средств (КТС),
Средства получения информации о текущем состоянии ТОУ;
УВК (управляемый вычислительный комплекс);
Технические средства для реализации функций локальных систем автоматизации;
Исполнительные устройства, непосредственно реализующие управляющие воздействия на ТОУ.
В комплекс ТС многих АСУ ТП входят механические средства автоматизации из со- става электрической ветви ГСП.
Специфическим компонентом КТС является УВК, в состав которого входят собственно вычислительный комплекс (ВК), устройства связи ВК с объектом (УСО) и с оперативным пер- соналом.
Первым и до сих пор распространенным типом технических структур АСУ ТП является централизованная. В системах с централизованной структурой вся информация, необходимая для управления АТК, поступает в единый центр - операторский пункт, где установлены прак- тически все технические средства АСУ ТП, за исключением источников информации и ис- полнительных устройств. Такая техническая структура наиболее проста и имеет ряд преиму- ществ.
Недостатками её являются:
Необходимость избыточного числа элементов АСУ ТП для обеспечения высокой на- дежности;
Большие затраты кабеля.
Такие системы целесообразны для сравнительно небольших по мощности и компакт- ных АТК.
В связи с внедрением микро- процессорной техники всё большее распространение получает распреде- лённая техническая структура АСУ ТП, т.е. расчленённая на ряд авто- номных подсистем - локальных тех- нологических станций управления, территориально распределённых по технологическим участкам управле- ния. Каждая локальная подсистема представляет собой однотипно вы-
полненную централизованную струк- туру, ядром которой является управ- ляющая микро-ЭВМ.
Локальные подсистемы через
|
свои микро-ЭВМ объединены в единую систему сетью передачи данных.
К сети подключается необходимое для управления АТК число терминалов для опера- тивного персонала.
Программное обеспечение АСУ ТП связывает все элементы распределённой техниче- ской структуры в единое целое, обладающее рядом достоинств:
Возможностью получения высоких показателей надёжности за счёт расщепления АСУ ТП на семейство сравнительно небольших и менее сложных автономных подсистем и дополнительного резервирования каждой из этих подсистем через сеть;
Применение более надежных средств микроэлектронной вычислительной техники;
Большой гибкостью при композиции и модернизации технического и программного обеспечения и т.д.
Большинство функций АСУ ТП реализуются программно, поэтому важнейшим компо- нентом АСУ ТП является её программное обеспечение (ПО), т.е. совокупность программ, обеспечивающих реализацию функций АСУ ТП.
Программное обеспечение АСУ ТП делится:
Специальное.
Общее ПО поставляется в комплекте со средствами вычислительной техники. Специальное ПО разрабатывается при создании конкретной АСУ ТП и включает про-
граммы, реализующие её информационные и управляющие функции.
Программное обеспечение создается на базе математического обеспечения (МО). МО – совокупность математических методов, моделей и алгоритмов для решения задач и обработки информации с применением вычислительной техники.
Для реализации информационных и управляющих функций АСУ ТП создают специ- альное МО, в состав которого входят:
Алгоритм сбора, обработки и представления информации;
Алгоритмы управления с математическими моделями соответствующих объектов управления;
Алгоритмы локальной автоматизации.
Все взаимодействия как внутри АСУ ТП, так и с внешней средой представляют собой различные формы информационного обмена, необходимы массивы данных и документов, ко- торые обеспечивают при эксплуатации АСУ ТП выполнение всех её функций.
Правила обмена информацией и сама информация, циркулирующая в АСУ ТП, обра- зуют информационное обеспечение АСУ ТП.
Организационное обеспечение АСУ ТП представляет собой совокупность описаний функциональной, технической и организационной структур системы, инструкций и регламен- тов для оперативного персонала, обеспечивающую заданное функционирование АСУ ТП.
Оперативный персонал АСУ ТП состоит из технологов-операторов, осуществляющих управление ТОУ, эксплутационного персонала, обеспечивающего функционирование АСУ ТП (операторы ЭВМ, программисты, персонал по обслуживанию аппаратуры КТС).
Оперативный персонал АСУ ТП может работать в контуре управления или вне него. При работе в контуре управления ОП реализует все функции управления или часть их,
Если оперативный персонал работает вне контура управления, он задаст АСУ ТП ре- жим работы и осуществляет контроль за его соблюдением. В этом случае, зависимости от со- става КТС, АСУ ТП может функционировать в двух режимах:
Комбинированном (супервизорном);
В режиме непосредственного цифрового управления, при котором УВК непосредствен- но воздействует на исполнительные устройства, изменяя управляющие воздействия на ТОУ.
Создание АСУ ТП включает пять стадий:
1. техническое задание (ТЗ);
2. технический проект (ТП);
3. рабочий проект (РП);
4. внедрение АСУ ТП;
5. анализ её функционирования.
На стадии ТЗ основным этапом являются предпроектные научно-исследовательские работы (НИР), обычно выполняемые научно-исследовательской организацией совместно с предприятием-заказчиком. Главная задача предпроектных НИР – изучение технологического процесса как объекта управления. При этом определяют цель и критерии качества функцио- нирования ТОУ, технико-экономические показатели объекта-прототипа, их связи с техноло- гическими показателя-ми; структуру ТОУ, т. е. входные воздействия (в том числе контроли- руемые и неконтролируемые возмущающие воздействия, и управляющие воздействия), вы- ходные координаты и связи между ними; структуру математических моделей статики и дина- мики, значения параметров и их стабильность (степень стационарности ТОУ); статистические характеристики возмущающих воздействий.
Наиболее трудоемкая задача на этапе предпроектных НИР – построение математиче- ских моделей ТОУ, которые в дальнейшем используют при синтезе АСУ ТП. При синтезе ло- кальных АСР обычно используют линеаризованные модели динамики в виде линейных диф- ференциальных уравнений 1 – 2-го порядка с запаздыванием, которые получают обработкой экспериментальных или расчетных переходных функций по разным каналам воздействия. Для решения задач оптимального управления статическими режимами используют конечные со- отношения, полученные из уравнений материального и энергетического баланса ТОУ, или уравнения регрессии. В задачах оптимального управления динамическими режимами исполь- зуют нелинейные дифференциальные уравнения, полученные из уравнений материального и энергетического баланса, записанных в дифференциальной форме.
При выполнении предпроектных НИР применяют методы анализа систем автоматиче- ского управления, изучаемые в дисциплине «Теория автоматического управления», и методы построения математических моделей, которые излагаются в курсе «Моделирование на ЭВМ объектов и систем управления».
Результаты, полученные на этапе предпроектных НИР, используют на этапе эскизной разработки АСУ ТП , в ходе которого выполняются следующие работы:
Выбор критерия и математическая постановка задачи оптимального управления ТОУ, ее декомпозиция (при необходимости) и выбор методов решения глобальной и локаль- ных задач оптимального управления, на основе которых в дальнейшем строят алгоритм оптимального управления;
Разработка функциональной и алгоритмической структуры АСУ ТП;
Определение объема информации о состоянии ТОУ и ресурсов ВК (быстродействие, объем запоминающих устройств), необходимых для реализации всех функций АСУ ТП;
Предварительный выбор КТС, прежде всего УВК;
Предварительный расчет технико-экономической эффективности АСУ ТП. Центральное место среди работ этой стадии занимает математическая постановка зада-
чи оптимального управления ТОУ.
Остальные задачи данного этапа (кроме расчета технико-экономической эффективно- сти) относятся к системотехническому синтезу АСУ ТП, при выполнении которого широко применяют метод аналогий. Накопленный опыт разработки АСУ ТП для ТОУ различной сте- пени сложности позволяет перевести разработку ряда функций и алгоритмов из категории на- учных работ в категорию технических, выполняемых проектным путем. К их числу относятся многие информационные функции (первичная обработка исходной информации, расчет ТЭП, интегрирование и усреднение и др.), а также типовые функции локальных систем автоматиза- ции, реализуемые в АСУ ТП программным способом (сигнализация, противоаварийная бло- кировка, регулирование с использованием типовых законов при НЦУ и др.).
Завершающим этапом эскизной разработки АСУ ТП является предварительный расчет технико-экономической эффективности разрабатываемой системы. Выполняют его специа- листы по экономике, однако исходные данные для них должны подготовить специалисты по автоматизации, поэтому рассмотрим некоторые узловые моменты.
Основным показателем экономической эффективности АСУ ТП служит годовой эко- номический эффект от ее внедрения, который рассчитывают по формуле
Э = (С 2 - S 2) - (C 1 - S 1) - Eн (K 2 - K 1) ,
где С1 и С2 – годовые объемы реализации продукции в оптовых ценах до и после внедрения АСУ ТП, тыс. руб.; S1 и S2 – себестоимость продукции до и после внедрения системы, тыс. руб; K1 и K2 – капитальные затраты на АТК до и после ввода в действие АСУ ТП, тыс. руб; Eн – нормативный отраслевой коэффициент эффективности капитальных вложений в средства автоматизации и вычислительную технику, руб/руб.
Основными источниками экономической эффективности систем автоматизации хими- ко-технологических процессов обычно являются прирост объема реализации продукции и (или) снижение ее себестоимости. Улучшение этих экономических показателей чаще всего достигается за счет уменьшения расхода сырья, материалов и энергии на единицу продукции благодаря более точному поддержанию оптимального технологического режима, повышению
качества продукции (сортности и, соответственно, цены), увеличению производительности оборудования за счет сокращения потерь рабочего времени из-за неплановых остановок про- цесса, вызванных ошибками управления и др. На этапе предпроектных НИР должны быть вы- явлены резервы производства, которые могут быть использованы благодаря применению сис- темы автоматизации.
Например, если при использовании локальной системы автоматизации технологический агрегат простаивает в среднем 20 % планового рабочего времени, из которых 1/4 вызвана ошибками оперативного персонала из-за не- своевременного обнаружения пред аварийных ситуаций, то применение АСУ ТП, реализующей функции прогно- за и анализа производственных ситуаций, может устранить эти потери. Тогда объем выпускаемой продукции в натуральном исчислении возрастет на 5 %, что приведет к увеличению объема реализации и снижению себе- стоимости продукции.
Накопленный опыт автоматизации химических производств показал, что резервы эко- номической эффективности, которые могут быть использованы благодаря автоматизации тех- нологических процессов, обычно составляют от 0,5 до 6 %. При этом, чем лучше отработана технология, тем, как правило, меньше резервы.
Однако не все выявленные (потенциальные) резервы экономической эффективности могут быть использованы после внедрения АСУ ТП. Фактическая эффективность оказывается меньше потенциальной из-за не идеальности АСУ ТП, которая проявляется, в частности, в не- полной адекватности математической модели ТОУ, по которой рассчитывается оптимальный режим, в погрешностях измерения выходных координат объекта, которые также влияют на точность определения оптимального режима, в отказах элементов технического и программ- ного обеспечения, из-за которых снижается качество выполнения отдельных функций и АСУ ТП в целом и т. д. Реальный эффект обычно составляет от 25 до 75 % потенциального, причем, как правило, чем больше потенциальный эффект, тем в меньшей степени он реализуется. Ос- новным показателем технико-экономической эффективности АСУ ТП является срок окупае- мости системы, который определяется по формуле
= K 2 - K 1 .
(C 2 - S 2) - (C 1 - S 1)
Он должен быть не больше нормативного, который для химической промышленности равен 3
Завершающей стадией первого этапа создания АСУ ТП является разработка техниче- ского задания на проектирование системы, которое должно включать полный перечень функ- ций, технико-экономическое обоснование целесообразности разработки АСУ ТП, перечень и объем НИР и план-график создания системы.
При разработке нетиповых АСУ ТП на первый этап приходится примерно 25 % общей трудоемкости, в том числе на предпроектные НИР–15 %. При тиражировании АСУ ТП первая стадия может быть исключена или значительно уменьшена.
Следующим этапом создания нетиповой АСУ ТП является разработка технического проекта , в ходе которой принимаются основные технические решения, реализующие требо-
вания технического задания. Работы на этом этапе выполняют научно-исследовательская и проектная организации.
Основным содержанием НИР является развитие и углубление предпроектных НИР, в частности, уточнение математических моделей и постановок задач оптимального управления, проверка с помощью имитационного моделирования на ЭВМ работоспособности и эффектив- ности алгоритмов, выбранных для реализации важнейших информационных и управляющих функций АСУ ТП. Уточняются функциональная и алгоритмическая структуры системы, про- рабатываются информационные связи между функциями и алгоритмами, разрабатывается ор- ганизационная структура АСУ ТП.
Очень важным и трудоемким этапом на стадии ТП является разработка специального программного обеспечения системы. По имеющимся оценкам, трудоемкость создания специ- ального ПО была близка к общему объему предпроектных НИР и составляла 15 % от общих трудозатрат на создание АСУ ТП.
На стадии ТП окончательно выбирают состав КТС и выполняют расчеты по оценке на- дежности реализации важнейших функций АСУ ТП и системы в целом. Общие затраты труда на проектирование составляют примерно 30 % от затрат на создание АСУ ТП.
На стадии внедрения АСУ ТП производятся монтажные и пуско-наладочные работы, последовательность и содержание которых изучаются в соответствующем курсе. Трудозатра- ты на этой стадии составляют около 30% от общих затрат на систему.
При разработке головных образцов АСУ ТП, подлежащих в дальнейшем тиражирова- нию на однотипных ТОУ, важное значение имеет анализ функционирования системы, в ходе которого проверяют эффективность решений, принятых при ее создании, и определяют фак- тическую технико-экономическую эффективность АСУ ТП.
Любое химическое производство представляет последовательность трёх основных опе-
1. подготовка сырья;
2. собственно химическое превращение;
3. выделение целевых продуктов.
Эта последовательность операций включается в единую сложную химико- технологическую систему (ХТС).
Современное химическое предприятие, завод или комбинат как система большого мас- штаба, состоит из большого количества взаимосвязанных подсистем, между которыми суще- ствуют отношения соподчинённости в виде иерархической структуры с тремя основными сту- пенями.
Каждая подсистема химического предприятия представляет собой совокупность хими- ко-технологической системы и системы автоматического управления, они действуют как еди- ное целое для получения заданного продукта или полупродукта.
Структурные схемы объекта регулирования
⎧
xв (u )⎨
xв (z )
Один из этапов проектирования систем регулирования технологиче-
⎫ ских процессов – выбор структуры
⎪метров регуляторов. И структура сис-
Рис. 1.1. Структурная схема объекта регулирования.
го процесса как объекта регулирования.
темы, и параметры регуляторов опре- деляются свойствами технологическо-
Любой технологический процесс как объект регулирования (рис. 1.1) характеризуется следующими основными группами переменных:
1. Переменные, характеризующие состояние процесса (совокупность их будем обозначать вектором y ). Эти переменные в процессе регулирования необходимо поддерживать на заданном уровне или изменять по заданному закону. Точность стабилизации перемен- ных состояния может быть различной, в зависимости от требований, диктуемых техно- логией, и возможностей системы регулирования. Как правило, переменные, входящие в вектор y , измеряют непосредственно, но иногда их можно вычислить, используя мо- дель объекта по другим непосредственно измеряемым переменным. Вектор y часто на- зывают вектором регулируемых величин.
2. Переменные, изменением которых система регулирования может воздействовать на объект с целью управления. Совокупность этих переменных обозначают вектором xp (или u ) регулирующих воздействий. Обычно регулирующими воздействиями служат изменения расходов материальных потоков или потоков энергии.
3. Переменные, изменения которых не связаны с воздействием системы регулирования. Эти изменения отражают влияние на регулируемый объект внешних условий, измене- ния характеристик самого объекта и т. п. Их называют возмущающими воздействиями и обозначают вектором xв или z . Вектор возмущающих воздействий, в свою очередь, можно разбить на две составляющие – первую можно измерить, а вторую – нельзя. Возможность измерения возмущающего воздействия позволяет ввести в систему регу- лирования дополнительный сигнал, что улучшает возможности системы регулирова- ния.
Например, для изотермического химического реактора непрерывного действия, регу- лируемыми переменными являются температура реакционной смеси, состав потока на выходе из аппарата; регулирующими воздействиями могут быть изменение расхода пара в рубашку реактора, изменение расхода катализатора и расхода реакционной смеси; возмущающими воз- действиями являются изменения состава сырья, давления греющего пара, причем если давле-
ние греющего пара нетрудно измерить, то состав сырья во многих случаях может быть изме- рен с низкой точностью или недостаточно оперативно.
Анализ технологического процесса как объекта автоматического регулирования пред- полагает оценку его статических и динамических свойств по каждому из каналов от любого возможного управляющего воздействия к любому возможному регулируемому параметру, а также оценку аналогичных характеристик по каналам связи регулируемых переменных с со- ставляющими вектора возмущений. В ходе такого анализа необходимо выбрать структуру системы регулирования, т. е. решить, с использованием какого регулирующего воздействия следует управлять тем или иным параметром состояния. В результате во многих случаях (от- нюдь не всегда) удается выделить контуры регулирования для каждой из регулируемых вели- чин, т. е. получить совокупность одноконтурных систем регулирования.
Важным элементом синтеза АСР технологического процесса является расчет однокон- турной системы регулирования. При этом требуется выбрать структуру и найти числовые зна- чения параметров регуляторов. Как правило, используют следующие типовые структуры ре- гулирующих устройств (типовые законы регулирования): пропорциональный (П) регулятор (R(p) = -S1); интегральный (И) регулятор (R(p) = -S0/p); пропорционально-интегральный (ПИ) закон регулирования (R(p) = -S1 – S0/p) и, наконец, пропорционально-интегрально- дифференциальный (ПИД) закон (R(p) = -S1 – S0/p – S2·p). При расчете системы проверяют возможность использования наиболее простого закона регулирования, каждый раз оценивая качество регулирования, и если оно не удовлетворяет требованиям, переходят к более слож- ным законам или используют так называемые схемные методы улучшения качества .
В теории автоматического регулирования разработаны различные методы расчета АСР при заданных критериях качества, а также методы оценки качества переходных процессов при заданных параметрах объекта и регулятора. При этом наряду с точными методами, требую- щими больших затрат времени и ручного труда, разработаны приближенные методы, позво- ляющие сравнительно быстро оценить рабочие параметры регулятора или качество переход- ных процессов (метод Циглера–Никольса для расчета настроек регуляторов; приближенные формулы для оценки интегрального квадратичного критерия и т. п.).