Системы управления химико-технологическими процессами

I. Основные динамические характеристики О.Р

§1. Аналитическое определение характеристик ОР

Для расчета САР необходимо знать динамические характеристики О.Р. Наиболее важной динамической характеристикой является дифференциальное уравнение.

Дифференциальное уравнение ОР составляется на основе знания сущности физико-химических процессов, протекающих в нем. Основополагающим при этом является закон сохранения энергии и вещества.

Рассмотрим пример:

Найдем уравнение емкости с жидкостью (бак со свободным сливом). Уравнение такого ОР можно составить на основе закона сохранения количества вещества, а именно материального баланса жидкости или в общем случае регулируемой среды.

Расход регулируемой среды на стоке ОР называется нагрузкой ОР.

В общем случае: нагрузка - количество энергии или вещества, отбираемое в процессе работы от ОР.

Изменение нагрузки ОР приводит к изменению объема жидкости в емкости.

Уравнение материального баланса:

,

где - сечение бака.

В разделе: «модели статики» показано, что можно линеаризовать, т.е.

, поэтому

Удобно пользоваться относительными величинами. Пусть - максимально возможное значение расхода воды, - номинальное значение уровня.

- относит. значение притока регулируемой величины - вход. вел. ОР.

- относит. значение регулируемой величины - выход ОР.

В статике - коэффициент передачи звена.

- коэффициент самовыравнивания звена.

Самовыравнивание характеризует способность ОР восстанавливать равновесие между притоком и стоком регулир. величины за счет изменения регулир. величины.



У статических ОР каждому значению л соответствует определенное значение у. ZB в рассматриваемом объекте с ростом л растет у, т.е.

У бака с принудительным сливом (т.е. у астатических ОР) при изменении л у растет до ?, поэтому .

Встречаются такие объекты, у которых с в процессе работы меняется, т.е.

Зная, что , запишем уравнение ОР.

Обозначим - пост. Времени ОР.

Т - время, за которое у достигла бы в переходном процессе ууст, изменяясь с постоянной начальной скоростью.

Первая форма записи уравнения ОР будет иметь вид:

I

Для получения второй формы записи уравнения ОР введем понятие скорости разгона:

е - скорость разгона равна начальной скорости изменения регулируемой величины при единичном возмущении.

Величина, обратная скорости разгона, называется временем разгона.

Время разгона - это время, за которое рег. величина меняется на 100% при единичном возмущении.

dann

или II

- вторая форма записи уравнения ОР.

Сравнивая обе формы, имеем

;

В частном случае, когда с=0

- уравнение астатического ОР.

Рассматриваемый ОР описывается уравнением первого порядка и называется одноемкостным.

Емкость - способность объекта запасать энергию или вещество. В данном случае это бак, способный запасать объем воды. Емкость является мерой инертности ОР.

У некоторых ОР есть еще одно свойство: чистое или транспортное запаздывание.

Чистое запаздывание - время, которое поток вещества или энергии затрачивает на прохождение расстояния от точки нанесения возмущения до точки измерения регул. величины.

Итак, основные свойства и характеристики ОР.
1. Нагрузка 2. Самовыравнивание 3. Емкость 4. Запаздывание	к - коэффициент пер. с - коэф. самовыражения. Т - постоянная времени е - скорость разгона Та - скорость разгона

§2. Экспериментальное определение характеристик ОР

а) Подготовка к эксперименту включает анализ технич. проц. как ОР и подготовку к эксперименту.

Изучается технологическая схема процесса, конструкция аппаратов, технологический регламент процесса. Назначаются регулируемые величины, выбираются регулирующие воздействия, анализируются возмущения. Составляется структурная схема объекта.



Примерная схема эксперимента по определению переходных характеристик объекта (характеристик разгона) имеет вид.

РО - регулирующий орган

ОР - объект регулирования

ИЭ - измер. элемент

ИМ - исполн. механизм

УП - указатель положения РО

Т.о., разработка схемы эксперимента включает решение трех задач:

а) измерение у

б) измерение л

в) регистрация у и л

Регулирующим воздействием является обычно расход вещества (топлива, пара и т.д.), который, как правило, не измеряется. Поэтому чаще всего в качестве регулирующего воздействия принимают положение регулирующего органа (в % хода РО: 0% - положение «закрыто», 100% - положение «открыто»). Величину у желательно измерять тем же датчиком, что и в САР. Инерционность ИЭ должно быть меньше инерционности ОР.

б) Проведение эксперимента.

Перед нанесением возмущения регулируемая величина должна быть стабилизирована затем наносится возмущение.

в) Аппроксимация переходных характеристик ОР методом спрямленных характеристик.

Аппроксимация - нахождение аналитического выражения с заданной точностью.

Метод заключается в том, что уравнение объекта любого порядка представляется уравнением объекта первого порядка с запаздыванием.

§3. Автоматические регуляторы. Законы регулирования. Выбор настроек регулятора

Автоматическим регулятором называется совокупность элементов, служащих для регулирования технологических процессов.

Функциональная схема замкнутой системы автоматического регулирования, работающей по отклонению регулируемой величины изображена на рисунке 1.

Рис.1. Функциональная схема системы автоматического регулирования.

З - задатчик регулируемой величины, служит для установки ее заданного значения Узад; СУ - сравнивающее устройство, вырабатывает сигнал рассогласования ДУ=Узад-У; ФУ - формирующее устройство - служит для формирования закона регулирования; ИМ - исполнительный механизм, приводит в действие РО; РО - регулирующий орган, служит для изменения регулирующего воздействия х; О - собственно объект регулирования; ИЭ - измерительный элемент, для измерения регулируемой величины У и преобразования ее в унифицированный сигнал.

Регулирующий орган (вместе с приводом, если таковой имеется) принято относить к объекту регулирования. Измерительный элемент можно относить как к объекту, так и к регулятору. В тех случаях, когда измерительный элемент используется для получения временной характеристики, его относят к объекту.

Измерительная система регулятора состоит из чувствительного элемента, непосредственно реагирующего на измеряемую величину, и преобразователя (преобразующего выходной сигнал чувствительного элемента в унифицированный сигнал). Выходной сигнал измерительного элемента поступает на сравнивающее устройство, куда также поступает сигнал от задатчика. Рассогласование ДУ поступает на формирующее устройство, представляющее в общем случае усилитель с последовательно или параллельно включенными корректирующими звеньями. Формирующее устройство предназначено для выработки управляющего сигнала, поступающего на исполнительный механизм. Исполнительный механизм воздействует на регулирующий орган, отбрасывая рассогласование ДУ до его устранения.

Упрощенно схему автоматического регулирования изображают как показано на рисунке 2.

Рис.2. Упрощенная схема системы автоматического регулирования.

Под символами О и Р понимаются совокупности элементов, объединенных на рисунке 1 штриховыми контурами.

По потреблению энергии для перестановки регулирующего органа регуляторы делятся на регуляторы прямого и непрямого действия. В регуляторах прямого действия для перестановки регулирующего органа используется энергия самой регулирующей среды. Регуляторы прямого действия просты, дешевы, однако не обеспечивают высокого качества регулирования. Недостатками регуляторов прямого действия являются трудность реализации различных законов регулирования и незначительная мощность на выходе.

В регуляторах непрямого действия для перестановки регулирующего органа используется энергия внешнего источника.

Регуляторы непрямого действия по виду потребляемой энергии делятся на электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные. Выбор того или иного типа регулятора диктуется условиями работы и некоторыми специальными требованиями (быстродействие, надежность, долговечность и т.д.).

Линейные регуляторы можно классифицировать также по закону регулирования. Под законом регулирования понимают зависимость выходной величины регулятора от входной:

; (1)

По закону регулирования регуляторы делятся на пропорциональные, интегральные, пропорционально-интегральные, пропорционально-дифференциальные, пропорционально-интегрально-дифференциальные.

В пропорциональных регуляторах регулирующее воздействие пропорционально рассогласованию:

(2)

где Кр - коэффициент передачи регулятора. Передаточная функция такого регулятора.

(3)

Пропорциональный регулятор является безынерционным звеном, поэтому имеет хорошие динамические свойства, т.к. не вносит отрицательного фазового сдвига в систему. Недостатком пропорционального регулятора является наличие статической ошибки. При единичном регулирующем воздействии х=1 абсолютная статическая ошибка (ДУ) определяется как

(4)

Удобнее пользоваться относительной ошибкой д.

(5)

Величину д показывают еще статизмом регулирования или диапазоном дросселирования.

Пропорциональные регуляторы применяют в тех случаях, когда допустима статическая ошибка или при автоматизации малоинерционных объектов регулирования, когда значение Кр может быть выбрано достаточно большим с целью уменьшения статической ошибки.

Интегральные (астатические) регуляторы имеют следующий закон регулирования

, (6)

т.е. регулирующее воздействие пропорционально интегралу от рассогласования. Величина называется приведенной скоростью регулирования, т.к. определяет скорость изменения регулирующего воздействия, приходящегося на единицу рассогласования. Передаточная функция интегрального регулятора

(7)

Достоинством астатического регулятора является нулевая статическая ошибка.

 (8)

В статике , следовательно ДУ=0. Однако система с таким регулятором имеет плохие динамические свойства, поскольку интегральный регулятор вносит в систему отрицательный сдвиг по фазе , что резко уменьшает запас устойчивости САР. Этот недостаток ограничивает применение астатических регуляторов. Они могут применяться при автоматизации только безинерционных объектов. Системы с таким регулятором и объектом без самовыравнивания являются структурно неустойчивыми, т.е. неустойчивыми при любых настройках регулятора.

В пропорционально-интегральных регуляторах регулирующее воздействие представляет сумму двух составляющих, пропорциональных отклонению и интегралу от отклонения, т.е.

(9)

Передаточная функция регулятора

(10)

Анализ закона регулирования пропорционально-интегрального регулятора показывает, что он вносит в систему гораздо меньший фазовый сдвиг, чеи астатический регулятор. Системы с пропорционально-интегральным регулятором имеют нулевую статическую ошибку при сравнительно неплохих динамических свойствах. Эти обстоятельства обеспечивают пропорционально-избирательным регуляторам наиболее широкое применение.

В пропорционально-дифференциальных (ПД-регуляторах) к пропорциональной составляющей регулирующего воздействия добавляется воздействие по производственной от отклонения ДУ.

(11)

Тогда передаточная функция регулятора

(11)

В статике передаточная функция ПД-регулятора аналогична передаточной функции П-регулятора, следовательно, системы с пропорционально-дифференциальным регуляторам также присуща статическая ошибка. Пропорционально-дифференциальный регулятор вносит в систему положительный фазовый сдвиг, увеличивая запас устойчивости. Поэтому системы с ПД-регулятором имеют лучшие динамические свойства по сравнению с системами с П-регулятором. Однако наличие статической ошибки является недостатком этого регулятора.

Регулирующее воздействие пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора представляет сумму пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих.

(12)

Аналитические характеристики ПИД-регулятора имеют вид

 (13)

(14)

ПИД-регуляторы совмещают в себе все достоинства вышеперечисленных регуляторов: нулевую статическую ошибку и очень хорошие динамические свойства. Однако вследствие своей сложности ПИД-регуляторы применяются при автоматизации производства сравнительно редко.

При выборе закона регулирования нужно руководствоваться следующими соображениями.

1. Если не допускается статическая ошибка, закон регулирования должен содержать И составляющую, т.е. должны использоваться И, ПИ, ПИД-регуляторы.

2. По динамическим свойствам регуляторы располагаются в следующей последовательности ПД, ПИД, П, ПИ, И. это объясняется величиной запаса устойчивости, зависящей от фазочастотных характеристик регулятора. (рис.3.)

Рис. 3. Фазочастотные характеристики регуляторов с различными законами регулирования.

3. Реализация Д-составляющей осуществляется приближенно. Кроме того, наличие Д-составляющей усложняет схему регулятора, повышает его стоимость и снижает его помехоустойчивость. Поэтому регуляторы с Д-составляющей (ПД и ПИД) находят ограниченное применение.

Качество регулирования оценивается с помощью показателей, характеризующих форму кривой переходного процесса в замкнутой системе автоматического регулирования.

Тема. Автоматизация типовых технологических процессов

§1. Анализ Тех. Проц. как объекта автоматизации

Разработка схемы автоматизации начинается с анализа ТП как объекта управления и разработки его функциональной ион. схемы.

В качестве регулируемых параметров выбирают режимные и качественные показатели функционирования ТП. Режимные показатели характеризуют материальный или энергетический баланс (уровень - матер. баланс по жидкой фазе, давление - матер. баланс по газовой фазе, расход - матер. баланс по жидкости и газу, концентрация - баланс по содержанию компонента, температура - тепловой баланс).

Качественные показатели характеризуют важнейшие свойства продукта (сушенки - влажность, полимера - вязкость, электролита - плотность и т.д.)

В качестве регулирующих воздействий обычно используют материальные или энергетические потоки (расходы вещества или энергии), изменяя которое можно воздействовать на регулирующую величину.

Выбор регулирующих воздействий производят на основе сравнительного анализа статических и динамических характеристик различных каналов (статический коэффициент передачи, чистое запаздывание, инерционность канала). Желательно, чтобы коэффициент передачи (чувствительность) по каналу регулирующего воздействия был больше, а инерционность меньше. После определения каналов регулирования приступают к анализу возмущающих воздействий. Действующие на ОУ возмущения можно разбить на 3 группы:

1. Контролируемые управляемые возмущения: возмущения, поддающиеся контролю и стабилизации. К таким возмущениям, например, относятся некоторые показатели входных потоков (расход, температура). Контролируемые управляемые возмущения при необходимости стабилизируют с помощью САР.

2. Контролируемые неуправляемые возмущения (температура окружающей среды, расход продукта из предыдущего аппарата и т.д.). При необходимости для учета таких возмущений применяют системы с компенсацией возмущения.

3. К неконтролируемым относятся возмущения, которые невозможно или нецелесообразно измерять (изменение активности катализатора вследствие его старения, изменение коэффициента теплопередачи при отложении на поверхности теплообмена солей, колебания теплотворной способности природного газа и т.д.). Наличие неконтролируемых возмущений требует применения замкнутых по основному показателю САР.

Далее помимо регулируемых параметров выбираются параметры контроля, сигнализации и защиты.

Контролю подлежат режимные и качественные переменные, характеризующие состояние ТП (в том числе и регулируемые переменные). Особое внимание должно уделяться контролю пожаро- и взрывоопасных процессов, процессов, оказывающих вредное воздействие на здоровье человека (агрессивные и токсичные материалы, загазованность, радиоактивные излучения) и экологически грязных процессов. Системы контроля таких процессов должны обладать повышенной надежностью.

При разработке схемы автоматизации должна предусматриваться сигнализация тех переменных, отклонение которых свыше допустимых пределов может привести к пожару, взрыву (например, превышение концентрации взрывоопасных веществ), несчастным случаям (концентрация токсичных веществ), аварии (повышение давления в аппарате, переполнение емкости), выпуску брака.

Помимо сигнализации в необходимых случаях предусматривается автоматическая защита и блокировка, предотвращающая возникновение вышеназванных ситуаций. Устройства защиты перераспределяют материальные и энергетические потоки, включают и отключают аппараты. При этом ОУ должен быть переведен в безопасное состояние, вплоть до его остановки. В то же время вмешательство средств защиты в ТП должно быть минимальным. Например, при достижении опасного значения концентрации какого-либо вещества, должна быть перекрыта магистраль подачи данного вещества и включена аварийная система вентиляции; при превышении давления должен срабатывать предохранительный клапан.

Регулирование основных технологических параметров.

К основным технологическим параметрам, подлежащим контролю и регулированию в химико-технологических процессах относят расход, уровень, давление, температуру, значение рН и показатели качества.

§1. Регулирование расхода (жидкости и газа)

Особенность систем регулирования расхода: малая инерционность объекта регулирования и наличие высокочастотных составляющих в сигнале изменения расхода, обусловленных пульсациями давления в трубопроводе (из-за работы компрессоров и насосов).

Обычно объект для расхода - участок трубопровода, между точкой измерения расхода (местом установки датчика) и регулирующим органом.

Длина этого участка - несколько метров, динамика канала «расход через РО - расход вещества через изм. элемент» приближенно описывается инерционным объектом первого порядка с запаздыванием. Время запаздывания - доли сек. (газ) и несколько сек. (жидкость), постоянная времени - несколько сек.

На практике находят применение три способа регулирования расхода:

1) Дросселирование потока на линии нагнетания

Данный способ является наиболее простым. Поток дросселируется именно на линии нагнетания, т.к. дросселирование потока на линии всасывания может привести к срыву потока и разрушению насоса.

2) Байпасирование - перепуск части потока из основного канала в обводную линию.

ПН - поршневой насос.

Этот способ применяется для насосов с большим внутренним сопротивлением, производительность которых мало зависит от проходного сечения линия нагнетания (поршневых).

Для таких насосов закрытие регулирующего клапана на линии нагнетания приводит к повышению давления в трубопроводе, что может привести к его разрыву.

3) Изменение напора в трубопроводе изменением числа оборотов вала насоса.

регулируемый электропривод скорости вращения вала насоса.

Данный способ позволяет исключить потери на регулирующем органе, но он сложен технически, т.к. требует применения электропривода.

Регулирование соотношения расходов.

Можно осуществлять следующим образом:

1) при незаданной общей производительности расход одного вещества (ведущего) может меняться произвольно, второе вещество подается при постоянном соотношении д с первым.

2) при заданном ведущем расходе САР соотношения дополняется САР ведущего.



Регулирование расхода сыпучих осуществляется изменением расхода материала через питатель (1) (степень открытия питателя) или скорости движения ленты (2)

В качестве датчика расхода используются конвейерные весы. Регулятор расхода воздействует на привод питателя (1), изменяя его производительность, или на привод, приводящий в движение конвейерную ленту.

§2. Регулирование уровня

Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального баланса между притоком и сбором вещества.

В зависимости от требований точности регулирования уровня применяют позиционные или непрерывные регуляторы. Позиционные - при низких требованиях точности (сборники жидкости, промежуточные емкости), непрерывные - при жестких требованиях (теплообменники, реакторы). При отсутствии фазовых превращений в аппарате уровень жидкости регулируют одним из трех способов:

1) изменение расхода жидкости на входе в аппарат - регул. на притоке (а)

2) изменение расхода жидкости на выходе из аппарата - регул. на стоке (б)

3) каскадная АСР с промежуточной величиной соотношения расходов на входе-выходе:

В случае, когда гидродинамические процессы в аппарате сопровождаются фазовыми превращениями (жидкость в пар) можно регулировать уровень изменением подачи теплоносителя (хладагента) ZB АСР уровня в испарителе:

Особенно жесткие требования к точности регулирования уровня предъявляется в аппаратах с кипящим слоем (т.к. при больших колебаниях уровня слой может осесть или его может унести). Можно регулировать уровень кипящего (псевдосжиж.) слоя расходом материала на входе или выходе аппарата или подачей газа под решетку.

§3. Особенности регулирования давления

Постоянство давления свидетельствует о соблюдении материального баланса по газовой среде. При наличии в технологической установке нескольких сообщающихся аппараты стабилизируют давление в одном из них, а по всей системе оно устанавливается в соответствии с гидравлическим сопротивлением линии и аппаратов. Например, в многокорпусной выпарной установке стабилизируют раздражение в последующем аппарате, а в остальных устанавливается разрешение, которое определяется из условий материального и теплового балансов с учетом гидравл. сопротивления технологической линии.

Способы регулирования давления аналогичны способам регулирования уровня (расходом на притоке, стоке, соотношением расходов). Принимается АСР перепада давления, характеризующего гидродинамический режим в аппарате (ZB в насадочных клапанах, аппаратах с кипящим слоем).



§4. Регулирование рН

рН характеризует щелочность (кислотность среды). Особенность объектов регулирующих рН - нелинейность статических характеристик, связанных с нелинейной зависимостью рН от расходов реагентов.

В связи с нелинейностью характеристик объектов регулирования рН для обеспечения устойчивого регулирования рН применяют систему с двумя регулирующими клапанами:

Клапан 2 с малым условным проходом служит для точного регулирования РН в окрестность номинального значения РН0 малым изменением расхода, т.к. коэффициент передачи ОР большой.

При больших отклонениях РН от номинала (коэффициент объекта маленький), когда клапан 2 полностью открыт или закрыт вступает в действие клапан 1, имеющий большой условный проход и предназначенный для грубого регулирования РН большими изменениями расхода.

§5. Регулирование температуры

Температура - показатель термодинамического состояния системы и используется как выходная координата при регулировании тепловых процессов.

Рассмотрим три примера тепловых объектов:

1. Экзотермический реактор с рубашкой.

- расход реакционной смеси,

, - расходы охлажд. воды на входе и выходе рубашки,

- расход продукта.

Основной задачей регулирования теплового режима реактора является поддержание температуры в реакционной зоне реактора изменением расхода воды в рубашку.

2. Теплообменник (холодильник).

Основной параметр, характеризующий качество процесса - температура нагретого (охлажденного) продукта. Регулировать температуру можно изменением теплоносителя или материала, однако второй способ нарушает материальный баланс в схеме цепи аппаратов, поэтому применяют первый. Основным возмущением для САР температуры является расход нагреваемого материала, поэтому для повышения качества регулирования применяют САР температуру с коррекцией по возмущению (расходу по материалу). Быстродействие САР увеличивается, т.к. она реагирует на изменение расхода, не дожидаясь отклонения температуры.

3. Испаритель (конденсатор)

Назначение - испарение жидкости за счет тепла теплоносителя. Основными показателями режима работы испарителя являются уровень жидкости в испарителе и температура отходящего пара.

Уменьшение уровня жидкости приводит к тому, что часть тепла будет расходоваться на испарение, а часть на пароперегрев. При уменьшении уровня производительность по испарению падает, а пароперегрев растет. Кроме того, при малом уровне увеличивается износ змеевика, а большой уровень может привести к забросу воды в коллектор пара. Т.о., для идеальной работы конденсатора необходимо регулировать уровень и температуру отходящего пара.

Уровень регулируется изменением подачи воды, а температура - подачей теплоносителя.

Основными возмущениями являются - расход воды, теплоносителя и пара, поэтому качество регулирования может быть значительно улучшено введением корректирующих воздействий по этим величинам.



Размещено на Allbest.ru

...