Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Автоматизация технологических процессов и производств»

Содержание

Введение

1. Управляемых объект

1.1 Краткое описание технологической схемы комплекса

1.2 Анализ технологического комплекса сушки как управляемого объекта

1.3 Обоснование необходимости и эффективности автоматизации технологического комплекса

1.4 Анализ статических и динамических свойств технологического комплекса сушки

2. Библиографический и патентный обзор по автоматическому контролю и управлению технологическим комплексом

2.1 Характеристика работы аналогичных систем контроля и управления технологическим комплексом на отечественных и зарубежных фабриках

2.2 Сравнительный анализ методов и средств автоматического контроля и управления на зарубежных и отечественных фабриках

3. Математическое моделирование технологического комплекса

3.1 Структурная идентификация комплекса

3.2 Параметрическая идентификация комплекса

3.3 Исследование статических и динамических свойств комплекса

4. Автоматизация технологического комплекса

4.1 Выбор структуры управления технологическим комплексом

4.2 Выбор принципов контроля и управления комплексом

4.3 Аппаратурная реализация систем автоматизации комплекса

5. Синтез локальной автоматической системы регулирования

5.1 Выбор датчика

5.2 Выбор регулятора и расчет его настроек

5.3 Выбор исполнительного механизма и регулирующего органа

5.4 Расчет надежности системы

5.5 Моделирование автоматической системы регулирования

5.6 Статическая и динамическая настройка системы

Заключение

Список литературы

Приложение

технологический комплекс сушка управление

Введение

Автоматизация обычно предназначена для уменьшения потребности в численности персонала и увеличения экономической эффективности процесса. Автоматизация обогатительных фабрик также имеет эти общие цели, а кроме них можно назвать и другие цели, достигаемые автоматизацией:

- увеличение извлечения;

- регулирование содержания концентрата - увеличение производительности процесса;

- экономия энергии;

- сокращение износа оборудования;

- охрана окружающей среды;

- удаление неприятных рабочих мест;

- увеличение разумности работы.

Многие из вышеизложенных целей являются экономическими, но человеческий аспект автоматизации также значительный.

Основой для автоматизации технологического процесса служит оперативная и точная информация о текущем состоянии процесса. С помощью этой информации можно автоматически управлять процессом, получая технико-экономические улучшения.

Сушка является важной частью процесса обогащения асбеста, но его инвестиционная стоимость дорогая и эксплуатационные расходы высокие. Если сушка не работает правильно, сам процесс обогащения теряет свою эффективность и рентабельность.

Во многих случаях сушка является узким местом производства. А когда увеличивают эффективность сушки асбеста, это сразу видно в качестве улученных показателей производства. Таким образом, правильное регулирование является основой экономики для всего предприятия.

Сушка является сложным процессом с точки зрения регулирования. Оно крайне нелинейное. Параметров регулирования много и они сильно связаны друг с другом. Контур сушки чувствителен ко многим помехам и компенсация их влияния требует регулирования. Обыкновенные контуры регулирования могут хорошо работать в некоторых случаях, но они не учитывают нарушения режима и могут полностью испортить весь процесс. Поэтому регулирование процесса сушки требует не только непрерывно работающего регулирования, а также логического управления, которое при необходимости может изменять стратегию регулирования.

При автоматизации технологических комплексов сушки решаются следующие задачи:

1. Автоматический контроль состояния технологического оборудования:

а) давления в топливной и воздушной магистралях;

б) наличия пламени факела горелок топки;

в) уровня высушенного материала в разгрузочной камере сушильного агрегата;

г) температура газов до и после электрофильтра;

д) времени работы и простоев технологического оборудования.

2. Автоматический контроль технологических параметров:

а) производительности сушильных агрегатов;

б) расходов топлива, первичного и вторичного воздуха; в) влажности высушенного продукта;

г) разрежения в топке;

д) температуры в топке, сушильном барабане, отходящих газов.

3. Автоматическая стабилизация технологических параметров:

а) производительности сушильных агрегатов;

б) температуры в топке, отходящих газов;

в) влажности высушенного продукта;

г) соотношения «топливо - воздух».

Для успешного выполнения задач автоматизации цикла сушки необходима специальная подготовка оборудования (установка регулируемых питателей, оснащение воздушных и газовой магистралей регулирующими задвижками и т.д.).

Таким образом, автоматизация улучшает экономичность процесса разными образами:

- объем производства увеличивается за счет более стабильной работы и уменьшения количества простоев;

- расход топлива и других вспомогательных материалов сокращается благодаря четкому регулированию;

- качества продукта улучшается за счет эффективного и непрерывного контроля;

- имея свежую и правильную информацию благодаря эффективному протоколированию руководство промышленного предприятия может вмешиваться в ход процесса в правильное (нужное) время.

В первом разделе дипломного проекта необходимо кратко описать технологический комплекс, подлежащий автоматизации, дать классификацию входных и выходных величин комплекса, привести статические и динамические характеристики по различным каналам управления.

Во втором разделе осуществляется обзор и анализ имеющихся решений по автоматическому контролю и регулированию комплекса, их достоинства и недостатки особенности технической реализации систем управления.

В третьем разделе проводится структурная идентификация комплекса на основании системного анализа как управляемого объекта, определяются возможные каналы управления, анализируются связи между входными и выходными параметрами и представляется алгоритмическая структура математической модели заданного комплекса.

Затем проводится параметрическая идентификация комплекса, заключающаяся в расчете параметров передаточных функций отдельных элементов комплекса, и проводится исследование статических и динамических свойств комплекса на полученной математической модели.

На основании анализа результатов моделирования комплекса определяются все возможные каналы управления.

Выбор основного канала управления производится на основании анализа действия управляющих параметров на управляемые величины.

В четвертом разделе на основании библиографического и патентного обзоров составляется общая функциональная структура системы управления комплексов, приводится перечень необходимых локальных автоматических систем контроля и регулирования, осуществляется выбор технических средств автоматизации, опирающийся на использование серийно выпускаемых современных приборов и средств автоматизации.

Обосновывается необходимое и достаточное число уровней управления, наличие управляющей ЭВМ. Составляется схема автоматизации комплекса. Приводится заказная спецификация на приборы и средства автоматизации, необходимые для реализации системы управления.

В пятом разделе производится выбор элементов заданной АСР, проводится расчет надежности САР и моделирование ее с целью определения оптимальных настроек регулятора.

В заключении необходимо отметить основные преимущества проектируемой системы, возможность и перспективы развития автоматизации технологического комплекса.

1. Управляемый объект

1.1 Краткое описание технологической схемы комплекса

Киембаевское месторождение,на базе которого работает комбинат “оренбургские минералы”,находится на территории Ясненского района Оренбургской области, примерно в 450 км к востоку от Оренбурга.

Киембаевское меторождение состоит из пяти залежей хризотил-асбеста общей площадью по поверхности 2,5 млн.кв.м. Расположение рудных залежей весьма благоприятное для успешной эксплуатации,что позволяет вести их разработку открытым способом в карьере. Глубина карьера составляет около 200 м, ширина-более 1400 м,длина более 2600м.

Хризотил-асбест(3MgO•2SiO₂•2H₂O)- гидросиликат магния,по химическому составу близкий хорошо известному всем минералу- тальку, т.е с химической точки зрения он абсолютно безвреден для организма. Кристаллы хризотил-асбеста имеют необычное строение: они представляют собой тончайшие полые трубочки-фибриллы. Такие кристаллы напоминают мягкие целлюлозные волокна хлопковой ваты.В то же время, будучи минералом неорганическим, волокна хризотил-асбеста не горят и выдерживают высокие температуры. Лишь при нагреве до 700^оС они теряют химечески связанную воду и делаются хрупкими. Плавится хризотил при температуре около 1500^оС.

Комбинат “Оренбургские минералы” являетя самым молодым предприятием в отрасли - он введён в эксплуатацию в 1979 году. При его проектировании и строительстве были учтены последние достижения науки и техники, использован опыт, накопленный за многие годы на отечественных и зарубежных обогатительных предприятиях. Сегодня это высокомеханизированное горно-обогатительное предприятие, оснащённое современным оборудованием, производственные процессы которого максимально автоматизированы. А/В инфраструктуру комбината входят: Рудоуправление, обогатительная Фабрика и Производственно-сервисное управление.

Добычей и подачей руды на обогатительную фабрику занимается Рудоуправление, включающее в себя железнодорожный цех,горный цех,цех технологического транспорта. Техническая оснащённость Рудоуправления - это 21 экскаватор различной мощности,6 буровых станков и 4 разведочных, 11 тяговых агрегатов ПЭ-2М, более 100 думпкаров и т.д. Автотранспортное предприятие оснащено более чем 18 БелАЗами технологического назначения,более чем 30 единиц техники участка дорожного строительства, более 11 машин грузового, пассажирского и специального автопарка. Хризотиловая руда поступает на обогатительную фабрику в необходимом количестве и соответствующего качества.

Рассмотрим технологический процесс сушки асбеста.

Технологическим объектом управления сушки является шахтная прямоточно-противоточная сушильная установка.

Рисунок 1 Принципиальная схема процесса сушки (1 - шахтное сушило, 2 - байпас, 3 - топка, 4 - дутьевой вентилятор первичного воздуха, 5 - дутьевой вентилятор вторичного воздуха, 6 - циклоны, 7 - дымосос, 8 - загрузочный бункер, 9- ленточный питатель, 10- электрофильтр)

Сушильная установка, представленная на рисунке 1, включает в себя:

- вертикальную шахтную прямоточно-противоточную сушильную печь;

- байпас;

- топку с горелкой;

- вентиляторы дутьевого типа ВДР-9,5 и ВДН-12,5 для подачи воздуха, соответственно на горение и разбавление теплоносителя;

- два циклона типа ЦН-11;

- электрофильтр типа АП-40 х 2;

- дымосос типа ДН-21М;

- загрузочный бункер с питателем.

Руда поступающая на сушку, загружается в накопительный бункер, установленный непосредственно над шахтной сушильной установкой (печью) и снабженный ленточным питателем. Пространство печи по высоте делится на противоточную и прямоточную части подачи теплоносителя. Отбор отработанного теплоносителя, а также чернового концентрата производится на высоте равной примерно 2/3 высоты печи. Часть чернового концентрата оседает в циклонах, другая часть - задерживается фильтрами.

Технические характеристики агрегатов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Технические характеристики оборудования сушильной установки

Наименование	Тип	Основные технические характеристики
1.Шахтная прямоточно-противоточная печь	ВШП-2х2х18	Поперечное сечение - 2х2 м2 Высота печи - 18 м Высота расположения коллектора для отбора отработанного теплоносителя - 12,35 м Расстояние между колосниками: - в сечении шахты - 200 мм - по высоте шахты - 200 мм
2.Топка с камерой смешивания	_	Объем топочного пространства -21,88 м3
3.Горелка газо-мазутная	ГМК-4	Теплопроизводительность -4 Гкал/час Давление газа - до 380 мм вод.ст. (3725,5 Па) Давление мазута - 20 кгс/см2 Давление дутьевого воздуха - 120 мм вод.ст. (1176,5 Па) Номинальный расход газа -470 м3/час
4.Вентилятор подачи воздуха на горение (первичного воздуха)	ВДР-9,5	Производительность-10000 м3/час Скорость вращения - 1460 об/мин. Давление - 400 кгс/м2 Мощность и тип эл. двигателя - 28 кВт, АО73-4Щ2
5.Вентилятор подачи воздуха на разбавление (вторичного воздуха)	ВДН-12,5	Производительность - 40000 м3/час Скорость вращения -1480 об/мин. Давление - 550 кгс/м2 Мощность и тип эл. двигателя - 90 кВт, 4А-250М4
6.Циклоны (2 шт.)	ЦН-11	Диаметр - 2250 мм
7.Электрофильтр	АП-40х2	Производительность-144000 м3/час Степень очистки - 98-99% Максимальная разрежение - 400 мм вод.ст. (3920 Па) Максимальная температура газов - 200 °С
8.Дымосос	ДН-21М	Производительность - 120000 м3/час Скорость вращения - 1000 об/мин. Давление - 585 кгс/м2 Мощность и тип эл.двигателя -350 кВт, АО3-400М-6У3

Технологический процесс сушки асбестовой руды носит непрерывный характер. Руда, пройдя четырехстадийное дробление и сортировку по крупности в дробильно-сортировочном комплексе 1 - 4 стадий разделяется на две части, одна из которых поступает на сушку, а вторая, смешиваясь после сушки с первой, поступает в склад сухой руды.

При сушке в шахтной прямоточно-противоточной сушилке происходит интенсивный тепло- и массообмен.

Доминирующим способом передачи тепла является конвективный способ. Тепловая энергия теплоносителя затрачивается на нагревание асбестовой руды, содержащейся в ней влаги, элементов конструкции сушильной установки, на испарение избыточной влаги, на нагревание пара до температуры среды в зоне сушки. Значительное количество и различные тепловые свойства элементов системы теплообмена обуславливают сложность процесса.

Массообмен характеризуется переносом влаги, свободного волокна асбеста и мелкодисперсных частиц руды. В сушилках данного типа происходит удаление главным образом поверхностной влаги.

Режим сушки определяется количеством и свойствами (влажность, грансостав, температура и др.) исходной руды, условиями горения топлива, производительностью вентиляторов подачи воздуха на горение, смешивание и дымососа, особенностями конструкции сушильной установки.

Параметрами теплоносителя, непосредственно влияющими на удаление влаги из руды, являются его температура и количество. С целью сохранения природных свойств асбеста, температура руды не должна превышать 150 - 200 °С, что достигается при температуре теплоносителя (600 - 800 °С), т.к. процесс сушки очень скоротечен (10- 14 с). Температуру отработанных газов требуется поддерживать выше точки росы. Температура перед электрофильтрами, согласно их технической характеристике не должна превышать 200 °С.

Режим работы сушильного оборудования цеха сушки - 335 дней в году при 3-х сменной работе по 8 часов (исключая планово-предупредительные ремонты и аварии).

Общая характеристика производственных помещений:

- запыленность до 2 мг/м';

- отсутствие химически активных веществ;

- среда неагрессивная;

- возможность пожара и взрыва.

Климатические условия:

- климат умеренный;

- температура окружающей среды от+5° до+30° С;

- относительная влажность до 80%.

1.2 Анализ технологического комплекса сушки как управляемого объекта

Технологический комплекс сушки как управляемого объекта может быть представлен следующим образом (рисунок 2):

а. К входным параметрам относятся:

- производительность барабана по руде - Q_р;

- влажность руды - щ_р;

- температура руды - T_р ;

- гранулометрический состав руды - б_р;

- расход топлива - Q_т;

- давление в топливной магистрали - p_т;

- расход первичного воздуха - Q_в1;

- температура первичного воздуха -T_в1;

- расход вторичного воздуха - Q_в2;

- температура вторичного воздуха - T_в2;

- частота вращения барабана - n_б;

- положение заслонки дымососа - б_д;

- изменение теплоемкости топлива и материала - f(t).

Рисунок 2 Технологический комплекс сушки как объект управления б

К выходным параметрам относятся:

- производительность барабана по высушенному продукту - Q_п;

- влажность высушенного продукта - щ_п;

- температура отходящих газов - T_ог;

- влажность отходящих газов - щ_ог;

- температура в топке - T_тп;

- разрежение в топке - p_тп;

1)Управляемыми параметрами могут служить:

- влажность высушенного продукта - щ_п;

- температура отходящих газов - T_ог;

- температура в топке - T_тп;

- разрежение в топке - p_тп;

2)Управляющими воздействиями могут служить:

- расход топлива - Q_т;

- расход вторичного воздуха - Q_в2;

- положение заслонки дымососа - б_д;

3)Основными возмущающими воздействиями могут быть приняты:

- производительность барабана по руде - Q_р;

- влажность руде - щ_р;

- температура руде - T_р;

- гранулометрический состав руды - б_р;

- температура первичного воздуха - T_в1;

- температура вторичного воздуха - T_в2;

4)Помехами процесса можно считать изменение теплоемкости топлива и материала - f(t).

Промежуточными параметрами можно считать температура смеси газов - Т_см и количество смеси газов - Q_см.

Возможные каналы управления:

- «Расход топлива Q_т > влажность высушенного продукта щ_п»;

- «Расход топлива Q_т > температура отходящих газов T_ог»;

- «Расход вторичного воздуха Q_в2 > влажность высушенного продукта щ_п»;

- «Расход вторичного воздуха Q_в2 > температура отходящих газов T_ог»;

- «Влажность руды щ_р > влажность высушенного продукта щ_п»;

- «Влажность руды щ_р> температура отходящих газов T_ог»;

- «Положение заслонки дымососа б_д > разрежение в топке p_тп». [1, 8, 9]

1.3 Обоснование необходимости и эффективности автоматизации технологического комплекса

Автоматизация обычно предназначена для уменьшения потребности в численности персонала и увеличения экономической эффективности процесса. Автоматизация обогатительных фабрик также имеет эти общие цели, а кроме них можно назвать и другие цели, достигаемые автоматизацией:

- увеличение извлечения;

- регулирование содержания концентрата - увеличение производительности процесса;

- экономия энергии;

- сокращение износа оборудования;

- охрана окружающей среды;

- удаление неприятных рабочих мест;

- увеличение разумности работы.

Многие из вышеизложенных целей являются экономическими, но человеческий аспект автоматизации также значительный.

Таким образом, автоматизация улучшает экономичность процесса разными образами:

- объем производства увеличивается за счет более стабильной работы и уменьшения количества простоев;

- качества продукта улучшается за счет эффективного и непрерывного контроля;

- имея свежую и правильную информацию благодаря эффективному протоколированию руководство промышленного предприятия может вмешиваться в ход процесса в правильное (нужное) время.

Внедрение АСУ ТП приводит к повышению экономичности и производительности обогатительного производства. В социальном плане эффект автоматизации заключается в улучшении условии труда рабочих, повышении квалификации кадров, совершенствовании обогатительной технологии с целью приспособления ее к автоматизации.

Появление вычислительной техники и надежных быстродействующих вычислительных машин дало возможность решать задачи оптимизации управления не отдельными обогатительными аппаратами, а целыми технологическими линиями обогащения минерального сырья и даже цехами. Уже накоплен определенный опыт эксплуатации таких систем в цветной и черной металлургии, углеобогащении, асбестообогащении.

С развитием техники опробования, повышением ее производительности, снижением стоимости получения информации опробованием и увеличением возможностей ее оперативной обработки повышались требования к количеству и качеству этой информации. На современных обогатительных фабриках число проб составляет тысячи в сутки» а число элементо-определений может быть в 2 - 3 раза больше, доходя до 5 - 10 млн. элементо-определений в год.

Получение такой массы информации связано с большими капитальными и эксплуатационными затратами. То, что обогатительные фабрики идут на такие затраты (все увеличивающиеся), свидетельствует о важности опробования; его прямом влиянии на экономические результаты работы. Однако опробование само по себе весьма специфичный процесс получения объективной информации об опробуемых массах любой величины, состоящий в том, что эту информацию в итоге добывают, анализируя массу величиной 1 г и менее. Для того, чтобы такая масса (например, 1 г) соответствовала массе, например, 1000 т, необходимо выполнение многих правил реализации отбора, подготовки и анализа проб. Очевидно, что предпочтительное уменьшение массы пробы в 109 раз не может привести к удовлетворительным результатам.

Решая конкретные задачи опробования, инженер должен иметь возможность проверить рекомендации ГОСТов либо инструкций, а в большинстве случаев должен обоснованно выбрать параметры опробования и рационально построить и провести этот процесс. Это возможно только тогда, когда формулы и методики позволяют полно учесть конкретные особенности рассматриваемого случая, являясь в то же время приемлемыми по трудоемкости их использования. Необходима логическая увязка всего процесса получения исходных данных, комплекса понятий и параметров опробования и методики выбора и расчета оборудования для отбора проб.

Современные возможности анализа вызвали бурное развитие средств отбора, транспортирования, обработки проб. Системы автоматической подготовки проб функционируют уже на многих обогатительных фабриках.

Современная вычислительная техника позволяет выполнять полные расчеты технологического и товарного балансов. Оперативность этих расчетов позволяет использовать результаты контроля процессов для управления ими. Однако возникли новые проблемы, связанные с оценкой погрешностей результатов. Наконец, появились и используются новые возможности повышения точности расчетов и анализа данных.

Естественный выход результатов опробования и контроля - управление качеством продуктов обогащения. Во-первых, это управление качеством входного потока сырья. На обогатительных фабриках «Оренбургские минералы» такому управлению придается большое значение. Это - и планирование работы забоев, забойного оборудования, транспорта, создание усреднительных складов и планирование переработки руды.

Во-вторых, это управление качеством выпускаемой продукции путем выбора режимов переработки, формирования партий, усреднения концентратов. Современные комплексные системы управления качеством продукции завершают работу, начинающуюся отбором проб.

Уровень автоматизации обогатительной фабрики определяется ее производительностью, минеральным составом и колебаниями характеристик перерабатываемой руды.

На фабриках с высокой производительностью производится одновременный контроль и управление большим числом технологических параметров, что невозможно без внедрения автоматизации.

Сложный минеральный состав руды, вкрапленность минералов и т. п. обусловливают усложнение схем обогащения, а также контроля и управления процессом и, следовательно, необходимость повышения уровня автоматизации.

Характеристики руды непрерывно изменяются. Для компенсации этих изменений необходимо управлять технологическим процессом, т.е. повысить уровень автоматизации.

Автоматизация технологического процесса должна внедряться поэтапно - сначала охватывать наиболее важные участки процесса, чтобы в минимальный срок окупить произведенные затраты.

Экономическая эффективность автоматизации обогатительных фабрик может быть достигнута: увеличением производительности; увеличением извлечения минерала в концентрат и повышением качества концентрата; экономией реагентов, мелющих тел, электроэнергии; уменьшением эксплуатационных расходов путем более равномерного режима работы технологических органов и ликвидацией перегрузок; ликвидацией операций с большими затратами физического труда. [8]

1.4 Анализ статических и динамических свойств технологического комплекса сушки

Как управляемый объект шахтное сушило характеризуется значительным инерционностью и транспортным запаздыванием, а также воздействиям большого числа возмущений, изменяющихся случайно. Он работает как теплообменник, в котором должна быть обеспечена передача тепла от газа к материалу, и как транспортное устройство, которое должно пропускать заданное количество материала.

Экспериментальные статические характеристики вертикальной сушильной установки по различным каналам представлены на рисунках 3, 4, 5, 6

Рисунок 3 Статическая характеристика объекта каналу «Производительность по исходной руде - Влажность сухой руды»

Рисунок 4 Статическая характеристика объекта по каналу «Температура в топке - Влажность руды»

Рисунок 5 Статическая характеристика объекта по каналу «Производительность по исходной руде - Температура перед циклоном»

Рисунок 6 Статическая характеристика объекта по каналу «Производительность по исходной руде - Температура перед дымососом»

Экспериментальные переходные характеристики вертикальной сушильной установки по различным каналам представлены на рисунке 7.

Рисунок 7 Экспериментальные переходные характеристики вертикальной сушильной установки по каналам а) «Q_т - Т_т»; б) «Q_см - Т_т»; в) «Q_т - Т_ог»; г) «Q_см - щ_п»; д) «Q_см - Т_ог»; е) «Q_р - щ_п»; ж) «Q_т - щ_п»; з) «Q_р - Т_ог»

Экспериментальные переходные функции для барабана длиной 27 м, диаметром 3,5 м, в котором сушили железный концентрат с начальной влажностью 9--11% до влажности 0,5--1%, приведены на рисунке 8.

Рисунок 8 Экспериментальные переходные функции сушильного барабана по каналам: 1 -- температура сушильного агента на входе в барабан -- влажность высушенного материала, k = 2,01; 2 -- количество влаги в материале в загрузке -- температура газов в барабане, k = 0,1; 3 -- скорость сушильного агента -- влажность высушенного материала, k = 0,55; 4 -- количество влаги в материале в загрузке -- влажность высушенного материала, k = 1,138; 5 --температура сушильного агента -- температура газов в барабане, k -- 0,7; 6 -- скорость сушильного агента -- температура его в барабане, k = 0,7; у(t) -- общее обозначение выходного показателя

Из динамических характеристик сушильного барабана, полученных экспериментально, видно, что это-объект с ярко выраженными распределенными свойствами по длине барабана. Такие объекты описываются обычно дифференциальными уравнениями в частных производных типа.

где щ-влажность материала; х_м -скорость перемещения материала по длине барабана; f(щ)-зависимость скорости сушки от влажности; в_х-коэффициент массообмена; l-координата длины барабана; d_м-влагосодержание насыщенного воздуха при температуре материала.

Использование таких уравнений в инженерной практике затруднительно. Для практических расчетов можно применять обычные дифференциальные уравнения, коэффициенты которых представляют собой сосредоточенные параметры системы.

Для облегчения задачи примем в качестве управляющего воздействия расход сушильного агента, а не расход топлива, как действительности. Предположим также, что топка имеет достаточный запас мощности и режим ее работы не сказывается на режиме сушки.

В установившемся режиме приток и расход топлива в элементе объема барабана равны. Тепло в барабан поступает:

где q_a-объёмный расход сушильного агента, м3/ч, c_a - средняя объемная теплоемкость агента, Дж/(м³•К); t_a- начальная температура агента, К; q_к - массовой расход материала, кг/ч; щ_к- начальная относительная влажность материала, %; с_к - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг•К).

Тепло расходуется:

а) с уходящим сушильным агентом

где T_г- конечная температура сушильного агента, К; q_к- массовый расход высушенного материала, кг/ч; щ_п- конечная относительная влажность материала, %; T '_к - конечная температура материала, К; r- удельная теплота парообразования, Дж/кг.

При внесении возмущения нарушается баланс между притоком и расходом тепла. Элементарный объем агента, заключенный в исследуемом участке барабана, получает изменение энергии, равное дебалансу тепла за время dt:

где Дl - длина исследуемого участка барабана, м; s- площадь сечения барабана, м².

Уравнение (1.9, 1.10)представляет математическую модель процесса сушки, которая может использоваться при исследовании принципов автоматического управления процессом. [1, 8, 9]

2. Библиографический и патентный обзор по автоматическому контролю и управлению технологическим комплексом

2.1 Характеристика работы аналогичных систем контроля и управления технологическим комплексом на отечественных и зарубежных фабриках

Основная задача систем автоматического управления сушильными установками -- стабилизация и комплексное регулирование процесса.

Управляемые переменные -- производительность по исходному, готовому высушенному продукту, расход топлива и воздуха, влажность высушенного продукта. В качестве входных параметров принимаются частота вращения сушилки, влажность, плотность, гранулометрический состав исходного продукта и др.

Многообразие типов сушилок определяет и различные решения по автоматизации, используя при этом различный набор регулируемых параметров.

Для всех типов сушилок широко применяются системы теплотехнического контроля и регулирования. Однако в большинстве случаев желаемый уровень основного показателя -- влажность высушенного продукта -- достигается регулированием процесса по косвенным параметрам.

Первые системы явились основой для построения систем регулирования сначала по одному показателю при стабилизации контролируемых параметров (влажности, времени сушки, температуры теплоносителя и пр.).

На этом этапе предполагалось незначительное влияние целого ряда возмущающих воздействий. Системы регулирования по отклонению, возмущению позволили построить комбинированные системы. Теоретические исследования процесса являются базой для построения многосвязных систем регулирования. В этих системах учтено максимально возможное число контролируемых и возмущающих воздействий. Дальнейшее развитие систем управления связано с использованием ЭВМ на основе многопараметрических моделей.

Одной из особенностей процесса является большая инерционность процесса. Транспортное запаздывание (так называемая «распределенность параметров») вызывает определенные трудности в реализации систем управления. Простые системы стабилизации, локальные системы регулирования по отклонению не обеспечивают поддержание оптимального режима в полной мере. Совершенствование таких систем связано с учетом большего числа параметров, находящихся во взаимосвязи и взаимовлиянии.

Большое число управляющих, регулируемых и возмущающих переменных вызывает дополнительные трудности в построении таких систем.

Управление по влагосодержанию материала. Система управления сушилкой (табл. 2,1.1) работает совместно с двумя расположенными на определенном расстоянии один от другого чувствительными элементами, через которые протекает электрический ток. Сила тока зависит от влажности материала. Одним из узлов системы управления является тиратронная лампа, анодная цепь которой соединена с выпрямителем. Выпрямитель подает на один из чувствительных элементов напряжение постоянного тока. В обычном положении лампа заперта. В одной цепи с выпрямителем и чувствительным элементом находится переменное сопротивление, которое селективно регулирует сопротивление всей цепи, изменяя напряжение, подаваемое на чувствительный элемент. Переменное сопротивление состоит из реостата, резистора и устройства для селективного шунтирования реостата. Последовательно в цепи с тиратроном находится регулирующее устройство. В цепь сетки тиратрона включен один из чувствительных элементов и емкостное сопротивление, вызывающие запаздывание во времени срабатывания лампы при изменении потенциала на чувствительных элементах.

Лампа отпирается и включает регулирующее устройство, когда на чувствительных элементах возникает потенциал, соответствующий определенному влагосодержанию материала.

Управление сушилкой от датчика влажности (табл. 2, 1.2) осуществляется регулирование подвода тепла в соответствии с влагосодержанием материала. Система управления состоит из датчика и электрода, который касается материала и устройства, подающего на электрод напряжение постоянного тока. Напряжение на электроде изменяется в соответствии с протекающим через материал током. Когда влагосодержание материала понижается, напряжение на электроде увеличивается, при этом отключается источник тепла. В цепи между электродом и выключателем подсоединена неоновая лампа, управляемая напряжением измерительной цепи.

Аналогичная система управления сушилкой (табл. 2, 1.3) содержит командоаппарат, управляемый датчиком влажности. В зависимости от содержания влаги командоаппарат организует дополнительный цикл сушки. Понятно, что командоаппарат несет в себе некоторый закон (алгоритм) управления.

Естественно, с развитием моделирования, средств вычислительной техники изобретательские решения меняются.

Способ автоматического управления процессом сушки сыпучих материалов основан на определении температуры сушильного агента и конечной влажности материала, сравнении последней с заданным значением и изменении расхода сушильного агента по его температуре с корректировкой по влажности материала. Для повышения качества регулирования моделируют процесс сушки без учета транспортного запаздывания, задерживают сигнал модели на время транспортного запаздывания, и полученный сигнал используют в качестве задания при сравнении с сигналом конечной влажности (табл. 2, 1.4).

Сушилка непрерывного действия (табл. 2, 1.5) имеет на входном и выходном концах электрические датчики влажности. В зависимости от поступающих с датчиков сигналов система управления устанавливает продолжительность процесса сушки. Система содержит потенциометр, который подает управляющий сигнал. Основное напряжение на потенциометре определяется входным датчиком. Если сигнал входного датчика превышает заданный уровень, то движок потенциометра приходит в движение, вырабатывая сигнал, управляющий скоростью потока материала.

Степень высушивания в сушилке может контролироваться электроцепью (табл. 2,1.6). Регулирующая цепь состоит из нагревателя, датчика влажности и реле времени. Выходной сигнал вырабатывается после цикла сушки, продолжительность которого определена в зависимости от влажности исходного материала. В сушилке имеется устройство, которое реагирует на этот сигнал и повторяет цикл. Другое устройство реагирует на второй выходной сигнал цепи датчика влажности и реле времени, который следует за первым выходным сигналом. Затем вновь включается нагреватель сушки.

В устройстве управления сушилкой (табл. 2, 1.7) в качестве регулируемого параметра также использовано изменение длительности сушки. Задающее устройство устанавливает требуемое значение параметров в конце периода сушки. В соответствии с сигналами датчика влажности автоматически устанавливается время, необходимое для достижения этих параметров.

Если по истечении заданного времени нужные параметры не были достигнуты, то специальное устройство увеличивает длительность сушки. Таким образом, длительность дополнительного периода сушки является функцией длительности предыдущего периода и заданных параметров.

Система контроля и регулирования влажности (табл. 2, 1.8) предназначена для измерения влажности материала, проходящего через сушилку, и получения заданной влажности, а также для регулирования скорости прохождения материала. Устройство содержит прибор, измеряющий содержание влаги и пропорционально ему формирующий напряжение, а также генератор эталонного сигнала, который вырабатывает эталонное напряжение, соответствующее заданной влажности.

Сигналы измеренной и заданной влажности сравниваются в компараторе, который выдает первый контрольный сигнал, когда измеряемая влажность меньше заданной, и второй контрольный сигнал, когда влажность больше заданной. Предусмотрено устройство управления, реагирующее на контрольные сигналы, для того чтобы соответственно увеличивать или уменьшать скорость прохождения материала.

Система регулирования влажности (табл. 2, 1.9) имеет датчик с двумя расположенными с некоторым зазором электродами. Сушилка имеет также задатчик степени влажности и устройство для регулирования степени чувствительности датчика. Система снабжена блокировочным устройством, которое предупреждает отключение сушилки в случае возникновения помех в системе от статического заряда электродов и непосредственно воздействует на приводной электродвигатель сушилки и нагревательное устройство.

Способ автоматического управления процессом сушки сыпучих материалов во вращающейся барабанной сушилке (табл. 2, 1.10) основан на поддержании заданного отношения между расходами сырого материала и топлива с коррекцией по конечной влажности материала. Влажность материала измеряют в различных сечениях, расположенных вдоль продольной оси сушилки, с.одновременным измерением в них расхода материала. Для каждого сечения определяют произведения измеренных сигналов, и для входного сечения находят интеграл от произведения за определенное время, а для остальных сечений среднюю взвешенную сумму произведений, затем находят разность между средней взвешенной суммой и интегралом и по сигналу, пропорциональному скорости изменения этой разности, корректируют расход топлива.

Управление по температуре сушильной среды и материала. Барабанная вращающаяся сушилка (табл. 2,2.1) содержит устройство с вентилятором, предназначенное для подачи воздуха (сушильный агент) через барабан, газовую горелку для нагрева циркулирующего воздуха, нормально закрытый клапан подачи газа к горелке. При достижении определенной температуры воздуха предохранитель, снабженный термостатом, прерывает нормальную подачу газа к горелке, регулируя тем самым температурный режим.

При управлении сушилкой (табл. 2, 2.2) нагретый воздух, циркулирующий в установке, через впускной трубопровод поступает в сушильную камеру и выходит через выпускной трубопровод. Во впускном и выпускном трубопроводах установлены термометры сопротивления для измерения температуры потока циркулирующего воздуха. Сигналы от обоих термометров поступают к реле, срабатывающему тогда, когда суммарные показания обоих термометров достигают заданного значения. При срабатывании реле приводимое в действие селекторное устройство устанавливает один из нескольких возможных циклов сушки, включая и выключая нагревательное устройство. С реле сблокирован не чувствительный к изменению напряжения нагреватель, который служит для компенсации напряжения и позволяет включать электродвигатель при достижении заданного значения сопротивления.

В системе регулирования сушки (табл. 2, 2.3) температуру контролируют в трех характерных точках: в потоках поступающего и удаляемого воздуха, а также в равновесный период постоянной скорости испарения. Для достижения требуемой влажности определяют температуру влажного и удаляемого воздуха, а также равновесную температуру. При достижении указанной температуры процесс сушки прекращают.

В системе управления сушилкой для повышения точности регулирования скорости подачи подвергаемого сушке материала измеряется температура выходящих из сушилки воздуха и материала.

Система управления процессом сушки, основанная на управлении скоростью испарения влаги (табл. 2, 2.4), работает следующим образом. Слой высушиваемого материала непрерывно движется в горизонтальном направлении. В первых точках слоя измеряется температура. Эти точки расположены с определенным шагом вдоль слоя и перекрывают первый участок слоя определенной протяженности.

На первом участке слоя происходит изменение постоянной скорости испарения в сторону ее уменьшения. Измеренные на первом участке сигналы, пропорциональные измеренным температурам, суммируются. Измеряется температура в других точках слоя. Второй участок слоя находится перед первым по ходу движения высушиваемого материала.

...