Автоматизація процесу піролізу дихлоретану

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

піроліз дихлоретан автоматизація технологічний

Вступ

1. Характеристика об'єкту автоматизації

1.1 Опис технологічного процесу

1.2 Аналіз технологічного процесу як об'єкту автоматизації

1.3 Вибір системи керування

1.4 Розробка системи контролю та керування технологічним процесом

2. Розрахунок локальної системи автоматичного керування

2.1 Побудова математичної моделі об'єкту керування

2.2 Розрахунок параметрів налаштування регулюючого контуру

2.3 Структурна схема системи автоматичного керування

2.4 Дослідження системи керування на стійкість

2.5 Розрахунок регулюючого органу

2.6 Опис роботи спроектованої системи автоматичного керування

Список використаних джерел

Висновок



Вступ

Хімічна промисловість є однією з провідних у структурі сучасної економіки України. Від її розвитку, як і від розвитку машинобудування, значною мірою залежить науково-технічний прогрес (галузь авангардної трійки). Комплекс хімічних виробництв виготовляє продукцію для всіх основних галузей промисловості, транспорту, сільського господарства, оборони, побутового обслуговування та інших сфер діяльності. Він істотно впливає на рівень і темпи розвитку економіки в цілому. Підприємства хімічної промисловості за своїм експортним значенням посідають в Україні друге місце (після чорної металургії) в структурі експортного потенціалу вітчизняної економіки (8-9% експорту країни).

Автоматизація технологічних процесів передбачає механізацію обслугову-вання і управління машинами, їх системами і виробничими процесами в цілому. Безперервне зростання продуктивності праці в даний час забезпечується в першу чергу механізацією ручних робіт і автоматизацією виробничих процесів.

Економічна ефективність механізації та автоматизації технологічних процесів визначається наступними показниками: підвищення продуктивності праці, зниження собівартості продукції, що випускається, полегшення умов праці, оптимальний термін окупності та ін.

Даним проектом розглядається процес піролізу дихлоретану, в результаті якого одержують хлористий вініл, вінілхлорид-мономер, використовується як сировина на установці з виробництва полівінілхлориду суспензійного.

Вінілхлорид є одним з найважливіших мономерних продуктів, які надходять головним чином на виробництво полівінілхлориду - другого серед найбільш багатотоннажного виду пластичних мас, а також на виробництво різних сополімерів з вініліденхлоридом, вінілацетатом, метилакрилатом і т.д. Вінілхлорид використовується в якості вихідної сировини у виробництві вінілденхлориду.

На сучасному етапі виробництва використовують SCADA системи, які використовують у всіх галузях господарства, де потрібно забезпечувати операторський контроль за технологічними процесами в реальному часі. Це програмне забезпечення встановлюється на комп'ютери і, для зв'язку з об'єктом, використовує драйвери введення-виведення або OPC/DDE сервери. Програмний код може бути як написаний на одній з мов програмування, так і згенерований в середовищі проектування. Іноді SCADA-системи комплектуються додатковим ПО для програмування промислових контролерів. Такі SCADA-системи називаються інтегрованими і до них додають термін SoftLogic.



1. Характеристика об'єкту автоматизації

1.1 Опис технологічного об'єкту

Процес піролізу дихлоретану призначений для виробництва вінілу хлористого методом піролізу дихлоретану. Чистий “сухий” дихлоретан із проміжних танків поз Т-501А-Е живильними насосами поз. Р-1501А/В подається в міжтрубний простір підігрівача поз. Е-1512 із тиском 2,95 МПа (29,5 бар). Витрата дихлоретану при мінімальній витраті становить 18т/год та скиданням надлишку дихлоретану по циркуляційній лінії на танки поз. Т-501А-Е.

Після теплообмінника поз. Е-1512 дихлоретан проходить підігрівач поз.Е-1506, де підігрівається парою високого тиску до температури близько 160°С і поступає в змієвик конвекційної зони печі піролізу, після чого підігрітий дихлоретан поступає в радіантну зону печі піролізу, дальше по трубопроводу поступає в зовнішній випарник, де підігрівається за допомогою природного газу і поступає на наступний процес.

Зовнішній випарник складається з парового барабана поз. 02V-1502 і підігрівача поз.02Е-1504, розміщених один над одним і з'єднаних системою трубопроводів. У горизонтальному випарнику поз. 02Е-1504 проходить підігрів дихлоретану до температури 245°С і випаровування. Випарений дихлоретан далі перегрівається у теплообміннику поз. 02Е-1505 до температури 285°С і потрапляє в радіантну зону пірозмієвика. Випаровування у випарнику поз.02Е-1504 і перегрів у теплообміннику поз.02Е-1505 здійснюється пірогазом, що виходить з радіантної зони печі піролізу.

Рівень у паровому барабані поз. 02V-1502 підтримується витратою живильного дихлоретану. Пари дихлоретану після перегрівача поз.02Е-1505 поступають в радіантну зону печі піролізу. Тут підводиться основна кількість тепла, пари дихлоретану нагріваються до температури 490°С і проходить розщеплення дихлоретану на хлорвініл і хлористий водень. Тиск у паровому барабані поз. V-1502 становить 3,2 МПа (32 бар). Для зменшення нагромадження важкокип'ячих продуктів у випарнику поз.Е-1504 із нижньої частини випарника, через обмежувальну шайбу, виводиться до 2м³/год шламу в гартувальну колону поз.С1501.

На виході газової фази із парового барабана поз V-1502 перед подачею в основний змієвик радіантної зони печі піролізу встановлено регулюючий клапан, яким стабілізується витрата дихлоретану до пірозмієвика. Для полегшення пуску печі поз R-1501 із парового барабана поз. V-1502 є лінія стравлювання інертів в колектор GWCI. Лінія виходу дихлоретану із конвекційної зони печі до парового барабана поз. V-1502 і лінія входу дихлоретану із поз. V-1502 на основний змієвик печі з'єднані трубопроводом перемичкою із ручним клапаном. Після парового барабана поз. V-1502 пірогаз поступає горизонтальний випарник поз. 02Е-1504 і по трубопроводам поступає на наступні процеси.

1.2 Аналіз технологічного процесу як об'єкту автоматизації

Процес призначений для виробництва вінілу хлористого методом піролізу дихлоретану. В даному процесі використовуються: живильні насоси поз. Р-1501; підігрівач поз. Е-1512; зовнішній випарник поз. 02V-1502; горизонтальний випарник поз. 02E-1504; перегрівач пари дихлоретану поз. 02E-1505; підігрівач пари високого тиску поз 02E-1506.

Показником ефективності процесу піролізу дихлоретану є склад пірогазу, оскільки безпосередньо відсутні автоматичні прилади для безпосереднього визначення складу пірогазу, він визначається методом лабораторного аналізу, а забезпечуємо на заданому рівні регулюванням режимних параметрів процесу, тобто регулювання температури пірогазу.

Головним апаратом процесу піролізу дихлоретану є піч піролізу, що являє собою двокамерну споруду із горизонтальним розміщенням труб і двостороннім обігрівом. Піч складається із чотирьох різних систем змієвиків. В нижній частині конвекційної зони в трубах підігрівається дихлоретан, над ним розміщено змієвик випарника, в якому виробляється гріюча пара із котлової води. Ще вище, у верхньому пакеті труб, попередньо підігрівається котлова живильна вода.

Димовий газ виходить із печі піролізу із температурою до 145°С. Близько 3000 м³/год цього димового газу за допомогою газодувки подається на виробництво хлору і каустичної соди.

В радіантній зоні печі поз. R-1501 пари дихлоретану, що проходять одним потоком із температурою 245°С перегріваються до температури 490°С і розщеплюються із ступенем піролізу 55-60% на вінілхлорид і хлористий водень. Необхідне для процесу тепло забезпечують 84 самовсмоктуючих пальники, розміщені в радіантній зоні на поздовжніх сторонах печі, на кожній по 4 ряди один над другим. Тепло передається шляхом випромінювання від нагрітої футеревки печі до труб.

Пірозмієвик довжиною 546, 2 м і внутрішнім діаметром 154,08 мм розрахований на час перебування 18,3 сек. ( У чистому стані з врахуванням середньої густини газу 21,86 кг/м³, при середньому тиску 2,47Мпа (24,7 бар) і середній температурі 367,5 °С).

Піч розрахована на 55% ступінь конвекції при температурі 490°С. Ступінь конвекції може збільшуватись, але при цьому з'являється небезпека більшого утворення небажаних побічних продуктів. При заданій подачі дихлоретану в піч ступінь конвекції росте із збільшенням температури пірогазів на виході і збільшується із збільшенням домішок в дихлоретані.

Піч піролізу нагрівається метаном. Паливний газ із вихідним тиском до 0,4 МПа (4 бар) подається з витратою до 1400м³/год до самовсмоктуючих пальників, розміщених на бокових сторонах радіантної зони печі.

На лінії метану встановлено швидкодіючі подвійні відсічні клапани із проміжним стравлюванням, які спрацьовують при блокуванні печі через систему блокування.

В процесі піролізу дихлоретану застосовується дихлоретан це хлорорганічна сполука в рідкій формі. Летка, прозора, токсична. Має специфічні ароматичні характеристики (солодкуватий хлороформний запах). Сильно-наркотичний продукт. Внутрішній прийом і вдихання парів небезпечні інтоксикаціями. ГДК на виробництвах становить 0,01 %. У плані займання небезпека ж незначна. Також в процесі використовується метан. Це безбарвний газ без запаху і смаку, майже у два рази легший від повітря. Головні небезпеки при використанні стислих газів виникають через їх надмірний тиск і токсичні та займисті властивості. Загальні заходи безпеки полягають в тому, щоб забезпечити використання обладнання тільки з тими газами, для яких воно було розроблене, і щоб стислі гази не використовувалися для будь-якої мети, крім тієї, на яку їх використання було дозволено.

Оскільки в процесі піролізу дихлоретану використовується метан, то процес є вибухо- і пожежонебезпечним, що слід враховувати при виборі технічних засобів для контурів контролю та регулювання.

Показником ефективності процесу піролізу дихлоретану є склад пірогазу, оскільки відсутні автоматичні пристрої для безпосереднього визначення складу пірогазу, він визначається методом лабораторного аналізу, а забезпечуємо на заданому рівні регулюванням режимних параметрів процесу, тобто регулювання температури пірогазу.

Піч піролізу є простим об'єктом керування, оскільки її робота характеризується лишень одним параметром - температуро. Значення температури змінюється по висоті печі піролізу і вона є об'єктом керування з розподіленими параметрами.

Піч піролізу володіє запізненням, оскільки матеріальні потоки рухаються по трубопроводам, а тепло передається через стінки змієвика. Динамічні властивості печі піролізу описуються аперіодичною ланкою другого порядку, при цьому використовується принцип регулювання за відхиленням з додатковою дією за збуренням. Піч піролізу має здатність до самовирівнювання за температурою.

Аналіз технологічного процесу виконано згідно методичних вказівок №1,8.

1.3 Вибір системи керування

На основі аналізу технологічного процесу як об'єкту автоматизації вибираємо піч піролізу, де власне і відбувається технологічний процес. Показником ефективності процесу піролізу дихлоретану є склад пірогазу, оскільки безпосередньо відсутні автоматичні прилади для безпосереднього визначення складу пірогазу, він визначається методом лабораторного аналізу, а забезпечуємо на заданому рівні регулюванням режимних параметрів процесу, тобто регулювання температури пірогазу.

З точки зору теорії автоматичного керування система керування технологічним процесом в більшості випадків є системою безперервної дії.

Регулюючою величиною в даному процесі є температура пірогазу на виході з печі піролізу. Вона представляє собою вихідну змінну. Вхідною змінною є витрата метану. Оскільки піч піролізу володіє великим запізненням то пропонується регулювання температури використанням контуру казкадно звязаного регулювання.

Крім того, на роботу печі піролізу впливає температура та витрата дихлоретану, його слад, стан трубопроводів та температура навколишнього середовища.

Виявивши вхідні і вихідні змінні об'єкту керування, збурення, складаємо структурну схему системи автоматичного керування, представлену на рисунку.



Рисунок 1 Схема об'єкту керування ОК- об'єкт керування (піч піролізу); U- потік природного газу; Х- температура; Z- збурення

Діюча система автоматизації працює на програмному рівні, з використанням засобів імпортного виробництва.

Завданням на курсове проектування є розробити аналогічну систему керування з використанням технологічних засобів вітчизняного виробництва, при цьому необхідно використовувати найновіші досягнення вітчизняної науки і техніки.

1.4 Розробка системи контролю та керування технологічним процесом

Успішному проведенню піролізу дихлоретану сприяє правильний вибір параметрів максимальної температури і максимального тиску в печі піролізу.

Показником ефективності процесу піролізу дихлоретану є склад пірогазу, оскільки безпосередньо відсутні автоматичні прилади для безпосереднього визначення складу пірогазу, він визначається методом лабораторного аналізу, а забезпечуємо на заданому рівні регулюванням режимних параметрів процесу, тобто регулювання температури пірогазу.

Успішність процесу може бути досягнута стабілізацією витрати дихлоретану, та підтриманням температури в печі піролізу на заданому рівні.. Крім того, регулюючими величинами виступають ще ті параметри, стабілізацією яких усувають збурення, а саме збуреннями в процесі піролізу дихлоретану може бути стан трубопроводів, склад, витрата дихлоретану, яка усувається постійним навантаженням та постійним регулюванням

Процес піролізу дихлоретану характеризується вхідними, вихідними, режимними і допоміжними параметрами. Всі ці величини необхідно контролювати, щоб успішно проводити технологічний процес, здійснювати його пуск, зупинку, а також налагодження технологічного обладнання, механізмів.

Як режимний параметр процесу, контролю підлягає максимальний тиск і максимальна температура дихлоретану в печі піролізу. Як допоміжні параметри, необхідно контролювати мінімальний тиск природного газу на вході в піч піролізу, мінімальну та максимальну температуру, максимальний тиск, мінімальний рівень в зовнішньому випарнику поз. 02V-1502, максимальну температуру в підігрівачі поз. 02E-1512, максимальну температуру, мінімальний тиск пари в паровому барабані поз. 02E-1506. З метою підрахунку техніко-економічних показників контролюють витрату природного газу.

Крім контролю ряд параметрів необхідно сигналізувати, критичні значення яких можуть спричинити аварійну ситуацію, порушення технологічного режиму. До таких параметрів в процесі піролізу дихлоретану відносяться мінімальний тиск природного газу на вході в піч піролізу, максимальна температура дихлоретану в печі піролізу, мінімальна витрата природного газу на вході в піч піролізу, максимальна витрата дихлоретану на вході в піч піролізу, максимальна температура перегрітої пари на вході в підігрівач високого тиску, мінімальний рівень дихлоретану в зовнішньому випарнику, максимальна температура підігрітого дихлоретану на виході з перегрівача пари дихлоретану, максимальну температуру дихлоретану в зовнішньому випарнику, максимальну температуру пірогазу в горизонтальному випарнику.

Процес піролізу дихлоретану є надзвичайно складним, в технологічних процесах з високою точністю необхідно вимірювати і регулювати значну кількість технологічних параметрів. Все це необхідно враховувати при виборі вимірювальних і нормуючих перетворювачів.

Зокрема, для вимірювання температури в печі піролізу, потоках пари, дихлоретану, природного газу вибираємо хромель-копелеві термоперетворювачі опору типу ТХК-2888, які можуть встановлятись у вибухонебезпечних зонах, принцип роботи яких ґрунтується на зміні активного опору чутливого елементу під дією температури. Підключення термометрів здійснюється через бар'єри іскро безпеки типу МТМ 201. Для вимірювання тиску потоків природного газу на вході в піч піролізу та тиску у зовнішньому випарнику вибираємо стальний манометр типу МТМ701.10 ДИ-Ех для сухого або вологого повітря та неагресивного газу. Підключення манометрів відбувається через бар'єри іскро безпеки типу МТМ201. Для вимірювання витрати природного газу, дихлоретану, пари вибираємо витратомір типу МТМ701.10 ДД-Ех, підключення відбувається через бар'єр іскробезпеки типу МТМ201. Для вимірювання рівня в зовнішньому випарнику, вибираємо рівнемір типу МТМ701.5-Ех. Підключення рівнемірів відбувається через бар'єр іскро безпеки типу МТМ201. Використовується для вимірювання надлишкового тиску газів, а також для визначення рівня по гідростатичному тиску. Мікропроцесорний контролер МІК-51 для автоматичного регулювання і логічного управління технологічним процесом.



2. Розрахунок локальної системи автоматичного керування

2.1 Побудова математичної моделі об'єкту керування

В даному підрозділі для головного апарату технологічної схеми проводиться розрахунок математичної моделі, тобто аналітично описується процес зміни головного режимного параметру процесу. Побудова математичної моделі проводиться з врахуванням конструкції технологічного апарату, його геометричних розмірів, фізичних і хімічних властивостей речовин, що беруть участь в технологічному процесі.

Розрахунок математичної моделі виконано згідно методичних вказівок №6.

В печі піролізу нагрівається рідина густиною с=1250 кг/м³ і теплоємністю с=0,308 кДж/кг °С. Довжина труб теплообмінника l=546,2м; зовнішній діаметр внутрішньої труби 154,08 мм; товщина стінки внутрішньої труби д=3мм. Густина матеріалу труб теплообмінника (сталі) с=7500 кг/м³; теплоємність сталі с=0,5 кДж/кг°С. Коефіцієнт передачі тепла конвекцією б1=б2=420 кДж/м²*год.*°С.

Теплообмінник є двохємнісним об'єктом керування і процес теплообміну підпорядкований закону аперіодичної ланки другого порядку за рівнянням:

Вирішення задачі з побудови математичної моделі зводиться до визначення коефіцієнтів Т₁ і Т₂. Т₁ - постійна часу процесу нагріву стінки внутрішньої труби, визначимо її за виразом.



Спочатку необхідно визначити V₁ - об'єм матеріалу внутрішньої труби та F₁ - площу зовнішньої поверхні внутрішньої труби. Відношення V₁/F₁ = д. Тоді вираз (4.21) можна переписати:

T₂ - постійна часу процесу нагріву рідини в внутрішній трубі визначимо за виразом

Де V₂ - Об'єм рідини, що заповнює внутрішню трубу; F₂ - внутрішня поверхня внутрішньої труби, через яку передається тепло до рідини. Визначимо V₂ і F₂.

А тепер можемо обрахувати T₂.

Визначивши числові значення постійних часу T₁ і T_2, запишемо диференційне рівняння, яке буде математичною моделлю для даного теплообмінника.



Для більшої переконливості, а також перевірки виконаних розрахунків використовують прикладні програми для побудови математичних моделей печі піролізу.

Звірим наші результати за допомогою прикладної програми для розрахунку математичної моделі печі піролізу:

Рисунок 2.1.4 Діалогове вікно програми для розразунку математичної моделі теплообмінника

Згідно програми бачимо, що:

1,61хв.

Ручний розранунок і розрахунок за допомогою програми зійшлись, отже ми можемо приступити до подальшого розрахунку.



2.2 Розрахунок параметрів налаштування регулюючого контуру

Розрахунок параметрів налаштування регулюючого контуру слід почати з вибору закону регулювання. Оскільки в процесі курсового проектування для автоматизації технологічного процесу розробляється комп'ютеризована система керування, для контролю та регулювання технологічних параметрів вибираємо мікропроцесорний контролер, що опрацьовує інформацію.

Основним режимним параметром процесу піролізу дихлоретану є його температура і тиск. Розрахунок параметрів налаштування регулюючого контуру необхідно почати з вибору закону регулювання. Для контролю і регулювання технологічних параметрів проектом вибрано мікропроцесорний контролер, який опрацьовує інформацію за універсальним ПІД-законом регулювання.

Для визначення параметрів налаштування регулюючого контуру використаємо програмне середовище “Matlab Simulink”. Відкриваючи відповідні розділи бібліотеки “Simulink”, складаємо блок-схему системи автоматичного регулювання. Динамічні властивості печі піролізу, яка розщеплює дихлоретан на хлористий вініл та хлористий водень, представлені аперіодичною ланкою другого порядку з передавальною функцією.



Розрахунок 2.2.1 Модель системи автоматичного регулювання температури дихлоретану на виході з печі піролізу в програмному середовищі “Matlab Simulink”

Запускаємо ПІД-контролер, моделюючи роботу контуру регулювання температури. Коректуючи графік перехідного процесу, остаточно вибираємо параметри налаштування регулюючого контуру.

Розрахунок 2.2.2 Діалогове вікно параметрів налаштування ПІД-контролера

Таким чином параметри налаштування регулюючого контуру становлять:

, що дозволяє забезпечити такий графік перехідного процесу регулювання температури в печі піролізу.



Рисунок 2.2.3 Графік перехідного процесу в системі регулювання температури в печі піролізу

У результаті опрацювання графіка перехідного процесу одержуємо такі показники якості регулювання:

Статична похибка відсутня.

Перерегулювання д=0.1.

За визначеними параметрами перехідного процесу робимо висновок, що спроектована система автоматичного керування забезпечує необхідну якість процесу регулювання.

Сучасна система автоматичного керування - це комп'ютеризована система керування, яка передбачає використання мікропроцесорних контролерів, що дозволяють забезпечити роботу такої системи на програмному рівні. Даним проектом для керування технологічним процесом вибрано мікропроцесорні контролери типу МІК-51 фірми “Мікрол”, які працюють на програмному рівні. Для регулювання головного режимного параметру процесу - температури дихлоретану в печі піролізу складаємо програму методом об'єктно-візуального програмування.

Програмування контролера виконується за допомогою клавіш передньої панелі або за інтерфейсом з допомогою спеціального програмного забезпечення - візуального редактора FBD-програм АЛЬФА. В якості мови програмування в системі реалізована мова функціональних блокових діаграм (FBD), яка надає користувачу можливість використання механізму об'єктного візуального програмування.

Програмування мікроконтролера МІК-51 зводиться до того, що шляхом послідовного натискання декількох клавіш з бібліотеки, зашитої в постійній пам'яті контролера, викликаються тільки потрібні функціональні блоки; ці функціональні блоки об'єднуються в систему заданої конфігурації і в них встановлюються потрібні параметри налаштування. За допомогою вмонтованої енергонезалежної пам'яті запрограмована інформація зберігається в контролері при відключеному живленні.

Відкриваємо програму ALFA 2.0. Відповідно до конфігурації регулюючого контуру в меню програми вибираємо необхідні функціональні блоки. Регулюючий контур передбачає регулювання температури за лінійним законом регулювання. Отже, це контур безперервної дії і вхідний сигнал до нього поступатиме через аналоговий функціональний блок №1 AIN (05). Оскільки в мікроконтролері реалізується універсальний пропорційно-інтегрально-диференціальний - закон регулювання, то вибираємо ПІД- аналоговий регулятор. Регулюючий контур передбачає сигналізацію максимального і мінімального значень температури і тиску дихлоретану в печі піролізу. Для цього в програмі передбачено два дискретні виходи DOT (09) - блоки № 3 і 4. Для кількісної зміни витрати природного газу проектом вибрано пропорційно-інтегрально-диференціальний виконавчий механізм. Для передачі керуючого сигналу на виконавчий механізм програмою передбачений блок аналогового входу №5 AOT (08).

Вибрані функціональні блоки розташовуємо на робочому полі програми. З допомогою курсору функціональні блоки зв'язуємо між собою лініями функціональних зв'язків. Складена в такий спосіб програма зображена на рисунку 2.2.4.



Рисунок 2.2.4 Програма контуру регулювання температури і тиску в печі піролізу дихлоретану

Після складання програми необхідно виконати налаштування параметрів функціональних блоків. Покажемо вікно налаштування блоку вводу регулюючого параметру (температури дихлоретану) - AIN (05).

Рисунок 2.2.5 Діалогове вікно налаштування функціонального блоку вводу регулюючого параметру

При налаштуванні функціонального блоку вводу регулюючого параметру заданий діапазон зміни вихідного сигналу нормуючого перетворювача в межах 4-20 мА, а також введені вставки сигналізації максимальної та мінімальної температури дихлоретану.

Аналогічно виконано налаштування ПІД-аналогового регулятора. При цьому введено визначені в підрозділі 2.2 параметри налаштування ПІД-регулятора.

Відповідно:

Рисунок 2.2.6 Діалогове вікно налаштування аналогового ПІД-регулятора

Після складання програми і вводу параметрів налаштування функціональних блоків необхідно перевірити програму, виконати її налаштування і записати програму в контролер.

2.3 Структурна схема системи автоматичного керування

З метою забезпечення високої ефективності в процесі піролізу дихлоретану необхідно спроектувати систему автоматичного регулювання температури дихлоретану в печі піролізу. Для цього пропонується використати послідовний коректуючий контур, який працюватиме за ПІД-законом регулювання. Структурна схема системи керування матиме такий вигляд:



F

Х_вх

W(p) _kW(p)_ok

Рисунок 2.3.1 Структурна схема системи автоматичного керування

Щоб визначити передавальну функцію системи автоматичного керування, спочатку визначимо передавальну функцію самого коректуючого контуру. Функціональною схемою автоматизації процесу для регулювання технологічних параметрів вибрано мікропроцесорний контролер, який працюватиме за ПІД-законом регулювання, побудований за структурною схемою ідеального регулятора, яка представляє собою паралельне з'єднання підсилюючої, інтегральної та диференціюючої ланок:

Х(р)Y(p)

Рисунок 2.3.2 Структурна схема ПІД-регулятора

Передавальна функція такого регулюючого контуру рівна:

Об'єкт керування і вибраний автоматичний регулятор утворюють систему автоматичного керування, динамічні властивості якої можна визначити, виконавши структурні перетворення. У нашому випадку об'єктом керування виступає теплообмінник, динамічні властивості якого були визначені при побудові математичної моделі. За правилами структурних перетворень визначають передавальну функцію спроектованої системи автоматичного керування та записують її диференційне рівняння, застосувавши зворотне перетворення Лапласа.

Як було визначено вище, передавальна функція печі піролізу

Тепер за структурною схемою визначимо передавальну функцію системи автоматичного керування:

Визначаємо передавальну функцію спроектованої системи керування, підставивши числові значення постійних часу печі піролізу, як об'єкту керування, та параметрів налаштування ПІД-регулятора.



Таким чином спроектована система керування є системою третього порядку і її динамічні властивості описуються таким характеристичним рівнянням:

2,35p³+3p²+2,04p+1. (2.3.7)

Розрахунки системи автоматичного керування виконано згідно методичних вказівок №5.

2.4 Дослідження системи керування на стійкість

За одержаним диференційним рівнянням досліджують спроектовану систему автоматичного керування на стійкість. Відомо, що найважливішою вимогою, яка ставиться до системи автоматичного керування, є стійкість, тобто її здатність повертатись в стан рівноваги після нанесення збурень. Стійкість визначає працездатність утвореної системи. Досліджують системи керування на стійкість за коренями квадратного рівняння, за критеріями Рауса-Гурвіца, Михайлова або Найквіста.

Для дослідження на стійкість автоматичних систем третього порядку використаємо діаграму І.А. Вишнеградського. Вона побудована в площині узагальнених координат Х і Y, які є функціями коефіцієнтів характеристичного рівняння третього порядку.

Умови стійкості за Вишнеградським мають такий вигляд:

де ; (2.4.1)

тут а₀, а₁, а₂, а₃ - коефіцієнти характреристичного рівняння системи третього порядку: а₀р³+а₁р²+а₃=0;

Перевіримо на стійкість з допомогою діаграми Вишнеградського систему керування, задану характеристичним рівнянням:

2,35р³+3р²+2,04р+1=0. (2.4.2)

Спочатку перевіримо необхідні умови стійкості для систем третього порядку:

-всі коефіцієнти характеристичного рівняння повинні бути > 0;

-добуток середніх коефіцієнтів має бути більшим добутку крайніх;

Перша умова виконується, так як Друга умова також виконується:

Тепер обрахуємо узагальнюючі координати Х і Y, щоб визначити розташування системи керування на діаграмі Вишнеградського

Узагальнені координати є більшими нуля. Перевіримо їхній добуток:

(2.4.5)

Дослідження системи керування виконано згідно методичних вказівок №4

Перевіримо розташування системи керування за узагальненими координатами на діаграмі Вишнеградського:

Рисунок 2.3.4 Діалогове вікно програми дослідження системи на стійкість за діаграмою Вишнеградського

Виконавши дослідження системи керування на стійкість і побудувавши діаграму бачимо, що точка К з координатами (1; 1,9;) розташована вище гіперболи ABC. Проаналізувавши, діаграму бачимо, що їй властивий коливний затухаючий перехідний процес.

2.5 Розрахунок регулюючого органу

Завершальним етапом при розрахунку локальної системи автоматичного керування є розрахунок регулюючого орану. Ефективність роботи системи керування значною мірою залежить від правильного вибору регулюючого органу, який проводять на основі виконаних розрахунків. Для перевірки виконаних розрахунків використовують прикладні програми.

Для розрахунку регулюючого органу на газ потрібні такі дані:

- середовище;

- абсолютний тиск середовища до виконавчого пристрою Р₁, Па;

- абсолютний тиск середовища після виконавчого пристрою Р₂, Па;

- максимальна витрата газу, приведена до нормальних умов Q_н, м³/с;

- абсолютна температура середовища до виконавчого пристрою Т, К;

- густина газу, приведена до нормальних умов с_н, кг/м³.

Визначають:

1. Перепад тиску ДР_мін на регулюючому органі при максимальній витраті

2. Режим руху газу через регулюючий орган.

Якщо - має місце до критичнийрежим руху;

При - буде спостерігатись критичний режим руху;

3. Максимальну розрахункову пропуску здатність регулюючого органу К_{x max}, з врахуванням коефіцієнту запасу К=1,2.

Після розрахунку ми визначили що у нас має місце до критичний режим руху.

Для до критичного режиму , де k - коефіцієнт, що враховує відхилення газу від законів ідеального газу (приймається K=1);

4. За таблицею додатку А вибираємо регулюючий орган відповідного типу (одно, двохсідловий, заслінковий), умовна пропускна здатність якого К₁, буде ближчою більшою величиною по відношенню до K_{v max} і визначають його діаметр умовного проходу Д, мм.

Дослідження системи керування виконано згідно методичних вказівок №4

Для перевірки правильності виконаного розрахунку використаємо прикладну програму. Відкриваємо діалогове вікно і вводимо дані розрахунку.

Рисунок 2.4.1 Діалогове вікно програми для регулюючого клапана

Як бачимо, результати розрахунків підтвердились. Отже, з номенклатури регулюючих клапанів вибираємо двохсідлові клапани, з пневматичним мембранним виконавчим механізмом, фланцеві, з корозійностійкої сталі типу 25с40нж1м “нв”, пристосованих для рідких і газоподібних неагресивних середовищ, з температурою робочого середовища -40 ч +300 °с.

2.6 Опис роботи спроектованої системи автоматичного керування

Схема автоматизації процесу піролізу дихлоретану складається з багатьох контурів контролю і регулювання. Важливим режимним параметром процесу є витрата метану, яка регулюється температурою дихлоретану на вході в піч піролізу. Функціональна схема регулюючого контуру представлена на рисунку 2.5.1

Для контролю витрати за температурою дихлоретану, проектом вибрано витратомір МТМ701.10 ДД-Ех, принцип роботи якого ґрунтується на безперервному вимірюванні витрати і перетворенні в уніфікований сигнал постійного струму. На виході вимірювального перетворювача формується струмовий сигнал величиною 4-20мА, пропорційний величині витрати.

Цей сигнал підключений через блоки гальванічного розділення типу МТМ201 до контролера МІК 51, який працює за вибраним в підрозділі 2.2 даної пояснювальної записки ПІД-законом регулювання.

Для кількісної зміни витрати метану на трубопроводі встановлено регулюючий клапан типу 25с40нж1м “нв” поз. 5d, розрахований в попередньому підрозділі.

Числове значення витрати метану на вході в піч піролізу, а також його сигналізація виводиться на монітор оператора.

Рисунок 2.6.1 Функціональна схема системи автоматичного регулювання температури пірогазу



Список використаних джерел

1. В.Г. Дианок Автоматическое регулирование и регуляторы в химической промышленности. Москва: Химия, 1978. 375 с.

2. Дибкова Л.М. Інформатика та комп'ютерна техніка. Київ: Видавничий центр “Академія”, 2002. 318 с.

3. М.Н. Кувшинский, А.П. Соболева. Курсовое проектирование по предмету “Процессы и аппараты химической промышленности”. Москва: “Высшая школа”. 1980. 222 с.

4. Методичні вказівки до виконання курсового проекту з навчальної дисципліни “Автоматизація технологічних процесів” (для студентів спеціальності 151 “Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології”).

5. Методичні вказівки до виконання розрахунків регулюючих органів. Калуш, 2008. 20 с.

6. Методичні вказівки до розв'язування задач на практичних заняттях (для спеціальності “Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології”). Калуш, 2010. 56 с.

7. А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган. Процессы и аппараты химической промышленности. Москва: Химия, 1966. 847 с.

8. Попович М.Г., Ковальчук О.В. Теорія автоматичного керування. Київ: ”Либідь”, 2007. 655 с.

9. Шувалов В.В., Огаджанов Г.А., Голубятников В.А. “Автоматизация производственных процессов в химической промышленности”. Москва: Химия, 1991. 478 с.

Размещено на Allbest.ru

...