Измеренные на втором участке температуры вычитаются, полученная разность прибавляется к сумме температур, измеренных на первом участке. Разность сравнивается с заданной, и в соответствии с сигналом рассогласования регулируется подача тепла к материалу. Аналогичная система регулирования (табл. 2, 2.5) предназначена для управления скоростью испарения влаги при сушке материала во вращающихся барабанных сушилках. Отличие заключается в том, что измерение температур и подвод тепла проводится по участкам. Использование температурных параметров в качестве основы для регулирования сушки приводит к большому разнообразию систем управления, которые определяются типом сушильных агрегатов (конструктивная особенность), задачами, возлагаемыми на такие системы (стабилизация, регулирование), и целями (степень высушивания и т. п.).

Приведем в качестве примера систему управления процессом сушки гранулированного замороженного материала (табл. 2, 2.6). Сушильная установка содержит нагревательное устройство с электронагревательными элементами.

Система управления имеет два связанных контура регулирования, включающих датчики температуры и терморегуляторы. Первый контур поддерживает температуру нагревательного элемента на установленном уровне, тем самым обеспечивая нагрев свободной поверхности материала; второй, контролируя температуру свободной поверхности, регулирует количество подводимого тепла от нагревательного элемента, поддерживая температуру поверхности на определенном уровне, достигнутом после начального периода подогрева.

Многосвязные системы управления. Управление процессом по нескольким параметрам позволяет наиболее полно отразить физические процессы, происходящие при сушке с учетом воздействия режимных параметров аппарата, его динамических свойств и др.

Однако установление характера связи между регулируемыми и управляющими воздействиями -- сложная задача. В настоящей работе не ставится цель проанализировать методы нахождения такой связи. Эти вопросы относятся к области математического моделирования. Укажем, что эта задача решается как теоретическими методами, так и эмпирическим путем на основе экспериментов на реальном процессе или же его физической модели.

Такая физическая модель для определения оптимальных условий сушки (табл. 2, 3.1) содержит корпус, имеющий камеру. Внутри камеры установлен лоток, в который укладывается испытуемый образец материала. В лотке, термоизолированном относительно камеры, располагается приспособление для вакуумной сушки образцов, состоящее из вакуум-насоса и нагревателя.

Специальное приспособление, связанное с лотком, взвешивает испытываемый образец по мере его высушивания. Имеются регистрирующие устройства для измерения температуры образца и температуры нагревательного устройства в процессе сушки, регистратор давления в камере. Исследование образцов материала позволяет определить оптимальную температуру, давление и временной интервал для эффективного высушивания материала в реальной установке.

Полученные тем или иным способом зависимости используют для построения многосвязных систем. Комплексная система управления сушилкой для сыпучего материала (табл. 2, 3.2) работает следующим образом. Сушилка имеет пластинчатый штабель, подъемник и конвейер с бесконечной дырчатой лентой, проходящей через несколько зон сушки. В вытяжной трубе установлен датчик влажности для регулирования подачи греющего агента к сопловому устройству, расположенному под конвейерной лентой.

Приводной электродвигатель подъемника оснащен датчиком мощности, устройство включает также датчик температуры под лентой в последней зоне сушки. Каждый из датчиков через отдельную цепь соединен с усилителем, использующим наиболее слабый из двух контрольных сигналов для регулирования частоты вращения электродвигателя привода пластинчатого питателя.

Пример многосвязного управления барабанной сушилкой по ряду параметров приведен в патенте Японии (табл. 2, 3.3). Газ высокой температуры в качестве высушивающей среды поступает из печи в барабанную сушилку. Измеряемые параметры (производительность сушилки, температура материала на выходе, расход топлива для печи, масса исходного материала, содержание кислорода в конце печи и температура газа, выпускаемого из печи) передаются на распознающий блок ЭВМ и преобразуются в сигналы для получения оптимального переходного режима. Изменения температуры материала на выходе преобразуются в сигналы для получения оптимального установившегося режима.|

Объем газа G выпускаемого из печи, определяется по уравнению

где К₁ - К₄-- постоянные коэффициенты; Н -- расход топлива; М -- масса материала, подаваемого в печь; W -- содержание кислорода в конце печи.

Пример практической реализации устройств управления процессом сушки в промышленности - регулирующее устройство сушильных агрегатов РУСА (разработчик ИОТТ). Это устройство предназначено для автоматического контроля и регулирования работы сушильных агрегатов, использующих в качестве агента топочные газы.

РУСА может быть применено при управлении работой аппаратов сухого пылеулавливания, а также систем, снижающих содержание токсичных и коррозионно-активных соединений в отходящих газах промышленных предприятий.

РУСА включает измеритель температуры точки росы (температуры образования коррозионно-активного конденсата) непосредственно в потоках промышленных газов и измерительно-регулирующий блок, обеспечивающий работу прибора в режиме автоматического измерения и выход в систему управления.

Регулирующее устройство сушильных агрегатов позволяет оптимизировать процесс сушки по энергетическим и экономическим факторам.

При управлении процессами сушки концентратов цветных металлов, асбеста, шихтоподготовки перед агломерацией необходимо решать задачу автоматического контроля влажности материалов.

Методы измерения влажности можно разделить на прямые и косвенные. В прямых методах производится непосредственное разделение влажного материала на сухое вещество и влагу. В косвенных методах измеряется другая величина, функционально связанная с влажностью материала.

Из прямых методов измерений распространен метод, заключающийся в воздушно-тепловой сушке пробы с одновременным автоматическим взвешиванием на электронных весах. Для ускорения процесса сушки применяют инфракрасные лучи и токи высокой частоты.

Находят применение экспресс-влагомеры прямого измерения МА-30, ЭВЛАС-2.

Косвенные методы контроля влажности материалов подразделяются на электрические и неэлектрические.

Электрические методы измерения влажности подразделяются на кондуктометрические и диэлькометрические. Первые основаны на зависимости электрической проводимости материала от его влажности, и оценка влажности производится по результатам измерения электрического сопротивления. Такие влагомеры позволяют контролировать влажность материала в потоке на конвейере, и чувствительным элементом в них служат два электрода, питаемые постоянным или переменным током низкой частоты.

Диэлькометрический метод контроля влажности основан на зависимости диэлектрической проницаемости материала от влажности. К таким влагомерам относятся влагомеры ВЕ МТ 260, BUMC-1, ИВАР.

К электрической группе влагомеров относится сверхвысокочастотный влагомер поточный «Микрорадар-11ЗА», предназначенный для непрерывного автоматического контроля влажности сыпучих сред (неэлектропроводных) непосредственно в технологическом процессе методом микроволновой влагометрии. Принцип действия влагомера основан на измерении величины ослабления СВЧ-энергии влажным материалом и преобразовании этой величины в цифровой код и аналоговый сигнал, пропорциональный влажности материала.

Неэлектрические методы контроля влажности базируются на использовании взаимодействия различных видов электромагнитных колебаний и ядерных излучений с исследуемым веществом. К этому типу относятся инфракрасные фотометрические и нейтронные влагомеры.

В основу работы инфракрасных влагомеров положено измерение избирательного поглощения влагой инфракрасного излучения определенной длины волны, либо отраженного поверхностью материала, либо проходящего через материал. Влагомеры этого типа обладают высокой чувствительностью, точностью и дают возможность непрерывного бесконтактного контроля влажности.

Разнообразие используемых методов контроля позволяет осуществить измерение влажности в требуемой точке потока с достаточной точностью. Это является реальной предпосылкой разработки промышленных приборов и реализации систем автоматического управления. В таблице 3 приведена структурная характеристика приборов для измерения влажности. [2, 3, 5]

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

Результаты патентного обзора смотри в таблице 2

Таблица 2

Структура технических решений по управлению процессом сушки

№ п/п	Объект изобретения	Особенность изобретения	Страна	Номер авторского свидетельства или патента	Источник информации
	1	2	3	4	5
1.1	Управление сушилкой	Управление по влагосодержанию материала	США	3271876	Изобретения за рубежом 1966
1.2	Управление сушилкой	Подвод тепла	США	3271878	Изобретения за рубежом 1966
1.3	Управление сушилкой	Использование командоаппарата	США	3271877	Изобретения за рубежом 1966
1.4	Управление сушилкой	Модель без транспортного запаздывания с последующей коррекцией	СССР	914916, F26В 25/22	Б.И.№11, 1982
1.5	Управление сушилкой	Изменение скорости подачи материала по разности влажности исходного и конечного материалов	США	3400468	Изобретения за рубежом 1966
1.6	Управление сушилкой	Управление по влажности материала в зависимости от инерционности процесса	США	3284919	Изобретения за рубежом 1973
1.7	Управление сушилкой	Изменение длительности сушки	США	3762064	Изобретения за рубежом 1973
1.8	Управление сушилкой	Изменение подачи материала по влажности	США	3732435	Изобретения за рубежом 1973
1.9	Управление сушилкой	Измерение влажности в разных сечениях	СССР	1016647, F26В 25/22	Б. И. №17, 1983
1.10	Управление сушилкой	Изменение частоты вращения сушилки и температуры сушки	США	3758959	Изобретения за рубежом 1973
2.1	Регулирование барабанной сушилки	Температура потока циркулирующего воздуха	США	3279088	Изобретения за рубежом 1966
2.2	Регулирование барабанной сушилки	Температура в равновесный период постоянной скорости испарения	США	3699665	Изобретения за рубежом 1975
2.3	Регулирование барабанной сушилки	Температура воздуха и материала	США	2396476	Изобретения за рубежом 1968
2.4	Регулирование барабанной сушилки	Управление по скорости испарения влаги	США	3337965	Изобретения за рубежом 1967
2.5	Регулирование барабанной сушилки	Подвод тепла к участкам измерения температур	США	3350790	Изобретения за рубежом 1967
2.6	Регулирование барабанной сушилки	Сушка замороженного материала	США	3343273	Изобретения за рубежом 1967
3.1	Комбинированное управление	Физическая модель	США	3145562	Изобретения за рубежом 1969
3.2	Комбинированное управление	Управление по влажности, температуре путем изменения расхода материала	США	3783527	Изобретения за рубежом 1974
3.3	Комбинированное управление	Управление по расходу исходного материала, температуре на выходе, расходу топлива, содержанию кислорода и температуре газа	Япония	50-21168	Изобретения за рубежом 1975

Таблица 3

Структура технических решений по влагомерам

№ п/п	Объект изобретения	Особенность изобретения	Страна	Номер авторского свидетельства или патента	Источник информации
1.	Влагомер с механическим чувствительным элементом	Отклонение щупа под действием материала	США	3809564, G01N 23/00	Изобретения за рубежом, 1974
		Отклонение группы щупов	США	3724821, G01N 23/00	То же, 1973
2.	Радиометрический влагомер	Дискретное измерение нейтронного излучения	США	3800141, G01N 23/00	То же, 1973, 1974
3.	Устройство для измерения массового содержания влаги	Непрерывное синхронизированное измерение гамма- и нейтронного излучения	Великобритания	1387007, G01N 23/08	То же, 1975
	Устройство для дистанционного определения содержания влаги	Измерение гамма- и нейтронного излучения с логическим преобразованием сигналов	США	3794843, 3748473, G01N 23/02	То же, 1973, 1974
		Перемещение детектора в зону эталонных образцов	Германия	1598950, G01N 23/12	То же, 1974
		Коррекция по содержанию примесей	США	3786251, G01N 23/12	То же, 1974
4.	Приборы для непрерывного измерения содержания влаги в движущемся слое руды	Измерение сопротивления между электродами	США	3778707, G01N 27/02	То же, 1973
		Измерение удельной проводимости	США	4019132, G01N 27/00	То же, 1977
		Измерение по логарифму тока	Франция	2272394, G01N 27/12	То же, 1976
5.	Влагомер	Чувствительный элемент выполнен в виде двух лент из диэлектрического материала	Великобритания	1208749, GD1N 3/36	Изобретения за рубежом, 1967
6.	Емкостный влагомер	Измерение диэлектрических потерь	США	3822482, GD1N 3/36	Изобретения за рубежом, 1974
		Коррекция по температуре	США	3681685, GD1R 27/36	Изобретения за рубежом, 1972
		Измерение ёмкости межэлектродного промежутка	Франция	2251241, GD1N 27/22	Изобретения за рубежом, 1975
		Использование колебательного контура вдоль движения материала	США	3793585, G01R 27/02	Изобретения за рубежом, 1974
		Измерительная ёмкость установлена перпендикулярно к движению материала	Германия	1300316, GD1N 27/00	Изобретения за рубежом, 1974
	Комбинированный влагомер	Совместное использование взвешивания материала и измерение диэлектрической проницаемости	США	3536258, GD1N 5/02	Изобретения за рубежом, 1970
	Способ диэлектрического измерения содержания влаги	Определение влажности материала по характеристикам экстрагирующей влагу жидкости	США	3253458 GD1N 25/02	Изобретения за рубежом,1966
7.	Система для измерения влаги в сыпучем материале	Комбинация СВЧ и ядерного излучения	США, ФРГ	3644826 GD1R 27/04; 1238243 GD1N 23/10	Изобретения за рубежом, 1967
	Устройство для измерения влажности материала на конвейере	Соотношение величин поглощения и отражения СВЧ излучений	ФРГ	2361677, GD1N 23/24	--1974
		СВЧ генератор снабжён положительной обратной связью	ФРГ	2146926, GD1N	--1974
	Способ периодического измерения влажности	Измерение затухания СВЧ энергии с поправкой на насыпную плотность	ФРГ	1498988, GD1N 23/24	--1973
	Комбинированный измеритель влажности	Совместное использование СВЧ и нейтронного излучения	Великобритания, Япония	1212932, GD1N 23/12; 49-36640, GD1N 27/02	--1974
8.	Способ определения влаги	Использование эффекта ядерно-магнитного резонанса	ФРГ	2212047, GD1N 27/76	Изобретения за рубежом, 1974
9.	Психометрический измеритель влажности	Электронный эквивалент психометрического метода	Великобритания	1152876, GD1N 25/00	Изобретения за рубежом, 1968
10.	Термографическое устройство для измерения влажности	Термографическое определение влажности по отбору тепла у нагретой поверхности	США	3813927, GD1N 27/12	Изобретения за рубежом, 1974
		Измерение параметров термосопротивления как меры влажности	США	3394466, 126В 40/20	--1968
		Комбинация измерения толщины конденсата и тока охлаждения	Великобритания	1207296, GD1N 21/26	--1972
		Определение температуры материала до и после охлаждения	ФРГ	2235853, GD1N 25/26	--1972
		Использование термопар для контроля температуры	США	3797312, GD1N 25/26	--1974

3. Математическое моделирования технологического комплекса

3.1 Структурная идентификация комплекса

Под структурной идентификацией технологического объекта (комплекса) или отдельных элементов комплексов понимают выбор или определение алгоритмической структуры математической модели объекта, комплекса или элемента на основании анализа связей входных и выходных параметров объекта, оценки влияния входных параметров на выходные и выделения из множества входных и выходных параметров наиболее значимых.

Структурная идентификация технологического объекта включает следующие операции:

1) выделение объекта из общей схемы;

2) ранжирование входов и выходов объекта по степени их влияния на выполнение целей управления;

3) определение рационального числа входов и выходов объекта, учитываемых в модели;

4) определение характера связей между входами и выходами объекта.

Структура динамических моделей технологических объектов (комплексов) связана с априорной формой математического описания исследуемого объекта.

Существуют различные способы математического описания технологических объектов:

1. Дифференциальными уравнениями связи:

а) между входными U₁...U_p и выходными y₁...y_q параметрами (стандартная форма)

б) между входными воздействиями и переменными состояния процесса (x₁...x_n), которые записывают либо в форме системы уравнений первого порядка (нормальная форма):

где матрицы A=[_Sj], B=(_Sj), =[_Sj] имеют размеры (nn), (nf), (nq) соответственно.

2. Матрицей [W_ik(p)] передаточных функций, дающих алгебраическую связь между изображениями по Лапласу входов и выходов:

Для сложных технологических объектов (комплексов), априорная информация о которых обычно недостаточна, удобно реализовать модели в виде инерционных звеньев, причем доказана возможность описания динамических характеристик устойчивых объектов высокого порядка с передаточными функциями вида:

Обычно ограничиваются передаточными функциями порядка не выше второго.

Динамические модели технологических объектов (комплексов) обычно составляются для приращений входных и выходных параметров относительно их стационарных значений, что позволяет ограничиться линейными моделями каналов управления и возмущений.

Структура модели любого технологического комплекса или отдельного элемента комплекса определяется выбранным способом математического описания, результатом анализа комплекса как управляемого объекта, итогом которого является выделение наиболее значимых каналов управления и возмущения, а также целью идентификации технологического комплекса.

В качестве конечной цели идентификации технологических комплексов или отдельных элементов комплексов рассматривается обычно использование получаемой математической модели для синтеза системы управления, поэтому способом математического описания выбирается представление элементов технологического комплекса в виде матрицы передаточных функций вида (3.4) по основным каналам управления и возмущений.

Наиболее значимые каналы управления и возмущений, на которых основывается структура и объем модели элемента комплекса, рассмотрены в первом пункте проекта.

Составим структурную схему для технологического комплекса сушка обогатительной фабрики «Оренбургские минералы»

Рисунок 9 Структура технологического комплекса сушки

На основании рисунка 9 и выше изложенного материала составим алгоритмическую структуру модели комплекса сушки (смотри лист графической части работы). Возможные каналы управления представлены в таблице на странице 31 [6].

3.2 Параметрическая идентификация комплекса

Под параметрической идентификацией понимают определение численных значений параметров оператора математической модели объекта, связывающего входы и выходы модели. В нашем случае таким оператором является матрица передачи точных функций, дающих алгебраическую связь между изображениями по Лапласу входов и выходов модели (3.4). Таким образом, параметрическая идентификация заключается в определении численных значений параметров передаточных функций по отдельным каналам связи модели (k_i, T_i, _i).

Параметрическая идентификация является важным и наиболее трудным этапом получения математической модели технологического объекта. Для реализации этого этапа требуются знания технических, конструктивных и технологических особенностей идентифицируемого объекта (технологического комплекса).

Для параметрической идентификации технологических объектов можно использовать различные виды информации (априорную, апостериорную), получаемую из библиографических источников о результатах исследований комплексов или отдельных элементов комплексов, подобных идентифицируемым

Параметрическая идентификация может осуществляться также по результатам экспериментов на промышленных, полупромышленных технологических комплексах или специальных лабораторных установках. При этом могут использоваться как активные, так и пассивные методы проведения экспериментов.

Особое место среди методов параметрической идентификации занимают аналитические методы, основанные на использовании закономерностей физико-химических процессов, протекающих в технологическом объекте, уравнений тепловых и материальных балансов, уравнений гидродинамики и т.п. Точность этих методов параметрической идентификации вполне достаточна для использования моделей при исследовании автоматических систем регулирования, а несомненным достоинством является учет в параметрах модели конструктивных, технических и технологических особенностей объекта идентификации.

В таблице 4 приведем исходные данные необходимые для расчета передаточных коэффициентов, постоянных времени и времени запаздывания для технологического комплекса сушка асбеста.

Таблица 4

Технические данные технологического комплекса сушка

Параметр	Величина параметра
Влажность	2,0-2,5 %
Производительность	128 т/ч
Расход газа	250 нм3/ч
Давление газа в коллекторе	1250 кгс/м2
Давление газа на горелку	100 кгс/м2
Давление воздуха общее	250 кгс/м2
Давление воздуха вторичное	20 кгс/м2
Разрежение в топке	40 кгс/м2
Низшая теплота сгорания	7970 ккал/м3
Число работающих горелок	1 шт
Разряжение перед дымососом	2000 Па
Разряжение перед циклоном	300 Па
Разряжение перед шахтой	75 Па
Температура холодного воздуха	18 °С
Температура в топке	650 °С
Температура перед циклонами	86 °С
Температура в борове	480 °С
Температура перед дымососом	71 °С
Состав отходящих газов: - СО2 - О2 - СО	3,1 % 15,3 % -
Коэффициент избытка воздуха	3,7
КИТ	65,0 %

Таблица 5

Результаты параметрической идентификации технологического комплекса сушки

Канал управления	Вид передаточной функции	Динамические параметры
		k	Т, с	, с
«ДQт - ДQсм»		1	300	60
«ДQт - ДTсм»		2,67	300	60
«ДQв1 - ДQсм»		1	300	60
«ДQв1 - ДTсм»		0,267	300	60
«ДQв2 - ДQсм»		1	600	180
«ДQв2 - ДTсм»		0,45	600	180
«ДQсм - ДQог»		1	150	50
«ДQсм - Дщп»		0,001	115	15
«ДQсм - ДTог»		0,13	455	25
«ДTсм - Дщп»		0,0008	120	90
«ДTсм - ДTог»		0,126	150	50
«ДQр - Дщп»		0,02	90	15
«ДQр - ДTог»		6,6	325	25
«Дщр - Дщп»		0,4	90	30
«Дщр - ДTог»		17,2	326	27

3.3 Исследование статических и динамических свойств комплекса

На основании таблицы 5 и алгоритмической структуры модели комплекса сушки (смотри лист 1 графической части работы) полученной в пункте 3.1 создадим цифровую модель технологического комплекса в пакете SIMULINK прикладного программного обеспечения MathWorks Matlab v6.5 Release 13, после чего получим статические и динамические характеристики комплекса сушки по возможным каналам управления.

Рисунок 10 Ступенчатое воздействие по каналу «Q_т - Q_ог»

Рисунок 11 Динамическая характеристика по каналу «Q_т - Q_ог»

Рисунок 12 Статическая характеристика по каналу «Q_т - Q_ог»

Рисунок 13 Ступенчатое воздействие по каналу «Q_т - щ_п»

Рисунок 14 Динамическая характеристика по каналу «Q_т - щ_п»

Рисунок 15 Статическая характеристика по каналу «Q_т - щ_п»

Рисунок 16 Ступенчатое воздействие по каналу «Q_т - T_ог»

Рисунок 17 Динамическая характеристика по каналу «Q_т - T_ог»

Рисунок 18 Статическая характеристика по каналу «Q_т - T_ог»

Рисунок 19 Ступенчатое воздействие по каналу «Q_в2 - щ_п»

Рисунок 20 Динамическая характеристика по каналу «Q_в2 - щ_п»

Рисунок 21 Статическая характеристика по каналу «Q_в2 - щ_п»

Рисунок 22 Ступенчатое воздействие по каналу «Q_в2 - T_ог»

Рисунок 23 Динамическая характеристика по каналу «Q_в2 - T_ог»

Рисунок 24 Статическая характеристика по каналу «Q_в2 - T_ог»

Рисунок 25 Ступенчатое воздействие по каналу «щ_р - щ_п»

Рисунок 26 Динамическая характеристика по каналу «щ_р - щ_п»

Рисунок 27 Статическая характеристика по каналу «щ_р - щ_п»

Рисунок 28 Ступенчатое воздействие по каналу «щ_к - T_ог»

Рисунок 29 Динамическая характеристика по каналу «щ_р - T_ог»

Рисунок 30 Статическая характеристика по каналу «щ_р - T_ог»

Рисунок 31 Динамическая характеристика по каналу «Q_р - щ_п»

Рисунок 32 Динамическая характеристика по каналу «Q_р - щ_п»

Рисунок 33 Статическая характеристика по каналу «Q_р - щ_п»

Рисунок 34 Динамическая характеристика по каналу «Q_р - Т_ог»

Рисунок 35 Динамическая характеристика по каналу «Q_р - Т_ог»

Рисунок 36 Статическая характеристика по каналу «Q_р - Т_ог»

Анализ статических и динамических зависимостей технологического комплекса сушки представленных на рисунках 10-36 показывает, что по всем рассматриваемым каналам управления объект имеет линейные зависимости между входной и выходной величинами, а так же то, что по всем рассматриваемым каналам управления объект является статическим (обладает свойством самовыравнивания).

Технологические объекты и аппараты обогатительных фабрик представляют собой сложные системы, состояние которых в каждый момент времени характеризуется несколькими входными и выходными величинами. Значения выходных величин характеризуют состояние технологического процесса, качество получаемых продуктов и эффективность управления им.

Каждая выходная величина зависит от нескольких входных величин (контролируемых или неконтролируемых). Влияние входных величин на выходные происходит по каналу передачи воздействия. Общее число каналов передачи определяется числом контролируемых m и неконтролируемых n входных и выходных p величин и составляет (m+n)р. Число возможных каналов регулирования равно mp. Из этого числа выбирают необходимый канал регулирования на основании анализа влияния управляющих воздействий на управляемый параметр.

При выборе канала управления необходимо исходить из следующих предположений:

1. В качестве выходной управляемой величины выбирается технологический параметр, который наиболее полно отражает сущность технологической операции или процесса.

2. Производится оценка возможностей непрерывного автоматического контроля выбранного регулируемого параметра путём анализа существующих технических средств контроля этого параметра и оценки точности контроля.

3. Если автоматический непрерывный контроль этого параметра невозможен или точность контроля является неудовлетворительной, в качестве регулируемого параметра принимают другой, тесно связанный с первым и который может быть использован как косвенный показатель процесса. Для него выбираются необходимые средства контроля, обеспечивающие достаточную точность.

4. В качестве управляющего воздействия выбирается входная контролируемая величина, степень влияния которой на выбранную управляемую величину наибольшая. Оценка влияния входного параметра на выходной производится по величине коэффициента передачи объекта по различным каналам.

Производится оценка возможности осуществления плавного изменения выбранного регулируемого параметра в достаточном для конкретного процесса рабочем диапазоне. Если такой возможности нет, выбирается другой параметр, хотя и с меньшим коэффициентом передачи.

Производится оценка динамических свойств выбранного канала управления. Оценка производится по отношению /Т и предпочтение отдается каналу с меньшим соотношением, а при равенстве отношений предпочтение отдаётся каналам с меньшим Т и .

Учитывая важность обеспечения постоянства, при выборе канала управления предпочтение отдается линейным статическим характеристикам.

В данном проекте в качестве основного канала управления рассматривается канал «Расход вторичного воздуха Q_в2 - Влажность высушенного продукта щ_п», таким образом, в дальнейшем мы будем синтезировать систему стабилизации температуры в топке с воздействием на расход вторичного воздуха с коррекцией по влажности [6, 7].

4. Автоматизация технологического комплекса

4.1 Выбор структуры управления технологическим комплексом

Выбор ветви Государственной системы приборов (ГСП) производится на основании характеристики условий работы проектируемой автоматической системы регулирования (взрывоопасность, пожароопасность, влажность, запыленность), эксплуатационной надежности элементов системы для условий работы в данной среде, возможности реализации системы регулирования с минимальными затратами, необходимого быстродействия, протяженности каналов связи от датчика до исполнительного механизма и т.п. Кроме того, необходимо учитывать род используемой энергии в проекте автоматизации данной фабрики.

Государственная система приборов и средств автоматизации в зависимости от рода используемой энергии подразделяется на три ветви:

1. электрическая,

2. пневматическая,

3. гидравлическая.

Технические средства электрической ветви ГСП характеризуются высокой чувствительностью, точностью, значительным быстродействием, возможностью передачи сигналов на большие расстояния, высокой степенью унификации (схемной и конструктивной). Приборы электрической ветви обеспечивают возможность непосредственной связи с УВМ, что очень важно при функционировании автоматической системы регулирования в составе АСУ ТП обогатительной фабрики. Электрическая ветвь ГСП непрерывно совершенствуется на базе новых схем и элементов, что приводит к уменьшению габаритов и массы приборов, расширению их функциональных возможностей, повышению надежности и сокращению потребляемой энергии.

Технические средства пневматической ветви ГСП могут использоваться во взрывоопасных и агрессивных средах, при наличии пыля, влаги, перегрузок. Структура, ветви позволяет реализовать любые сложные системы контроля и регулирования. Недостатками приборов пневматической ветви являются ограниченная протяженность каналов связи, малое быстродействие и необходимость установки средств сушки и очистки питающего воздуха.

Технические средства гидравлической ветви ГСП характеризуются возможностью получения значительных механических усилий с высокой точностью при небольших габаритах, работы в тяжелых условиях, получения простыми средствами плавного изменения регулирующего воздействия в широких диапазонах. Недостатками этих приборов являются ограниченность радиуса действия и необходимость специального источника энергии.

Для автоматизации обогатительных фабрик в основном применяются технические средства электрической ветви ГСП, но для некоторых отдельных процессов и аппаратов ограниченно используют приборы пневматической и гидравлической ветвей ГСП. Считается рациональным использование средств электрической ветви для получения, передачи и обработки информации, а средств пневматической и гидравлической ветвей - для исполнительных устройств, работающих в тяжелых условиях. [6]

Исходя из всего вышеописанного, в данной работе выбираем электрическую ветвь ГСП.

Выбор структуры управления объектом автоматизации оказывает существенное влияние на эффективность его работы, снижение относительной стоимости системы управления, её надежности, ремонтопригодности и т.д.

Структура управления технологическим комплексом может быть одноуровневой централизованной, одноуровневой децентрализованной и многоуровневой. Одноуровневые системы управления, в которых управление производится с одного пункта управления, называются централизованными.

Процесс сушки является многоуровневым технологическим процессом и характеризуется большим потреблением электроэнергии и большим объёмом информации, следовательно, целесообразно принять многоуровневую - 4х уровневую систему управления:

1. приборы по месту;

осуществляют функции контроля параметров процесса;

2. щиты КИПиА;

расположены средства автоматизации, пусковая аппаратура и ключи управления

3. система «Микрорадар-113А»

осуществляют функции контроля, регулирования и анализа влажности; в состав входит все необходимое оборудование от первичных датчиков вплоть до получения готовых результатов анализов в цифровой форме;

4. контрольный уровень - ПЛК Inline ILC 350 ETH

осуществляют функции контроля, стабилизирующее регулирование параметров процесса, анализа полученных результатов, визуализация, сигнализация, а также контроль состояния оборудования, дистанционное управление и оптимизация отдельных технологических процессов;

5. Scada-уровень

обеспечивает выполнение команд диспетчера, а также вывод информации о состоянии технологического оборудования, значениях основных технологических параметров и т.д. на дисплей), сбор данных с процессных станций, запись в информационный банк и архивирование в долговременную память.

Диспетчер выполняет следующие функции:

- контроль параметров,

- ручной ввод данных,

- прогнозирование основных показателей,

- расчет технико-экономических показателей,

- анализ состояния технологического оборудования,

- оптимизация отдельных технологических процессов,

- учёт производства и составление данных за смену.

4.2 Выбор принципов контроля и управления комплексом

Известны три фундаментальных принципа управления: по возмущению, по отклонению, комбинированный принцип управления.

Принцип управления по возмущению предполагает контроль возмущающего воздействия, наличия точного математического описания связи между возмущающим и управляющим воздействиями. Принцип обладает следующим преимуществом: высокое быстродействие и следующим недостатком - необходимость иметь точное математическое описание.

Принцип управления по отклонению предполагает измерение величины отклонения регулируемого параметра. Достоинством данного принципа является высокая точность, а недостатком большое время регулирования.

Комбинированный принцип управления сочетает в себе достоинства и недостатки первых двух принципов управления.

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».

Целью автоматического управления процессом сушки является либо стабилизация основных выходных параметров - производительности по высушенному продукту Q_п и влажности продукта щ_п.

Система управления должна обеспечивать оптимальный режим горения, необходимую скорость сушильного агента (топочных газов) через сушильный барабан, поддержание температурного режима в различных точках сушила и стабильную влажность высушенного продукта.

Для выполнения задач управления система должна содержать следующие контуры:

1) стабилизации соотношения «топливо - воздух», который обеспечивает выполнение необходимых условий сжигания топлива;

2) стабилизации температуры газов на входе в сушильный барабан, обеспечивающий постоянство температуры сушильного агента перед контактом с материалом;

3) стабилизации тягодутьевого режима, обеспечивающего нормальный режим горения, соответствующую скорость сушильного агента и определяющего интенсивность сушки;

4) стабилизации влажности высушенного продукта, обеспечивающего заданное значение влажности.

На основание перечня необходимых систем автоматического контроля и регулирования выполняется схема автоматизации технологического комплекса (смотри лист 2 графической части работы).

4.3 Аппаратурная реализация систем автоматизации комплекса

Для решения этих задач используются следующие системы автоматического контроля, регулирования и стабилизации:

1. Система автоматического контроля и сигнализации давления в топливной магистрали. Это система необходима для безопасной эксплуатации сушильного агрегата. В состав системы входят следующие элементы: датчик 1а - датчик реле давления РП-400П;1б - напоромер мембранный НМП-52-М2, который дублирует сигнал датчика РП-400П. При снижении давления в магистрали ниже критического реле срабатывает и подает сигнал в схему аварийной сигнализации и на отсечку топлива.

2. Система автоматического контроля и сигнализации давления в воздушной магистрали (первичный воздух). Это система необходима для безопасной эксплуатации сушильного агрегата. В состав системы входят следующие элементы: датчик 2а - датчик реле давления РП-400П;2б - напоромер мембранный НМП-52-М2, который дублирует сигнал датчика РП-400П. При снижении давления в магистрали ниже критического реле срабатывает и подает сигнал в схему аварийной сигнализации и на отсечку топлива.

3. Система стабилизации расхода топлива с воздействием на расход первичного воздуха с коррекцией по расходу первичного воздуха. В состав системы входят следующие элементы: датчик 3а - диафрагма камерная ДКС-0,6, сигнал с которого проходит через преобразователи разности давления «Метран 100ДД» и ПЛК Inline ILC 350 ETH. ПЛК через 3г - механизм электрический однооборотный МЭО 4/63х063 воздействует на задвижку ПТ 11055-200 (30с941нж) 3д, изменяя тем самым расход первичного воздуха. Корректирующую систему составляют следующие элементы: датчик 5а - диафрагма камерная ДКС-0,6; 5б - преобразователи разности давления «Метран 100ДД», сигнал с которого поступает в ПЛК.

4. Система автоматического контроля и сигнализации расхода вторичного воздуха. В состав системы входят следующие элементы: датчик 6а - диафрагма камерная ДКС-0,6; 6б - преобразователь разности давления «Метран 100ДД», сигнал с которого поступает в ПЛК. При снижении давления в магистрали ниже критического подает сигнал в схему аварийной сигнализации и на отсечку топлива.

5. Система стабилизации температуры в топке с воздействием на расход топлива. В состав системы входят следующие элементы: датчик 7а - термопреобразователь ТСП «Метран-205(50М)», сигнал с которого идет на ПЛК Inline ILC 350 ETH. ПЛК через 7б - магнитный пускатель и 7в- МЭО 4/63х063 воздействует на задвижку ПТ 11055-200 (30с941нж) 7г, изменяя тем самым расход первичного воздуха.

6. Система стабилизации разряжения в топке с воздействием на изменение задвижки дымососа. В состав системы входят следующие элементы: датчик 7а - датчик разряжения «Метран-100Ех-ДВ», сигнал с которого идет на ПЛК Inline ILC 350 ETH. ПЛК через 9б - магнитный пускатель ПБР 2М и 9в - МЭО 4/63х063 воздействует на задвижку 9г, изменяя тем самым разряжение в топке.

7. Система автоматического контроля и сигнализации горения факела. Для контроля наличия факела служит запально-защитное устройство (ЗЗУ), предназначенное для автоматического или дистанционного зажигания горелок, работающих на газообразном топливе. В состав ЗЗУ входят: 11б - запальник электрический газовый ЭЗ-М для зажигания топлива; 11а - преобразователь наличия пламени ПНП для контроля наличия запального факела, по сигналу которого газ поступает в горелки; электромагнитный клапан для подачи топлива в форсунки. При исчезновении факела с ПНП подается сигнал в ПЛК, который подает сигнал на электромагнитный клапан для прекращения подачи топлива в форсунки.

8. Система автоматического контроля и сигнализации температуры перед и после электрофильтра. В состав системы входят следующие элементы: датчики 13а, 14б - термопреобразователь ТСП «Метран-205(50М)», сигнал с которого идет на ПЛК Inline ILC 350 ETH.

9. Система автоматического контроля и сигнализации уровня заполнения шахтного сушила. В состав системы входят следующие элементы: 15а, 16б - радиометрический преобразователь уровня Gammapilot M, сигнал с которого идет на ПЛК Inline ILC 350 ETH.

10. Система стабилизации температуры в топке с воздействием на расход вторичного воздуха с коррекцией по влажности высушенного продукта. В состав системы входят следующие элементы: датчики 16а- термопреобразователь ТСП «Метран-205(50М)», сигнал с которого идет на ПЛК Inline ILC 350 ETH. ПЛК через 16б - магнитный пускатель ПБР 2М и 16в - МЭО 4/63х063 воздействует на задвижку ПТ 11055-200 (30с941нж) 16г, изменяя тем самым расход вторичного воздуха. Корректирующую систему составляют следующие элементы: 18а, 18б - влагомер «Микрорадар-113А», сигнал с которого поступает в ПЛК.

11. Отсечка

При достижении критических значений, какого либо параметра процесса происходит отсечка топлива.

Автоматизация комплекса выполнена на базе программируемого логического контролера (ПЛК) Inline ILC 350 ETH, в состав которого входят 6 модулей. (смотри приложение -Выбор ПЛК)

ПЛК Inline ILC 350 ЕТН расширяет область применения контроллеров Ilnline до систем среднего размера. Встроенный Ethеrnet -интерфейс и мощный процессор значительно расширяют коммуникационные возможности контроллеров. Ethеrnet -интерфейс служит для соединения с другими контроллерами и системами управления. Обмен данными между контроллерами производится с помощью коммуникационных модулей IEC 61131 -5. С помощью коммуникационных модулей TCP/IP производится обмен данными с любыми устройствами и системами, поддерживающими протокол TCP/IP. Контроллер ILC 350 ЕТН полностью конфигурируется и программируется с помощью PC WorX в соответствии с МЭК 61131. При установке в шкаф управления контроллер Inline может использовать как централизованное или децентрализованное устройство управления. Комплект автоматизации Inline допускает непосредственное расширение, благодаря чему контроллер может быть легко настроен на решение любой задачи. Кроме того, к удаленной шине INTERBUS может быть подсоединено ответвление для подключения распределенных датчиков и исполнительных элементов. Загрузка и тестирование прикладных программ производится с помощью Ethеrnet или локального программного интерфейса RS-232. Использование контроллеров Inline в качестве распределенных систем управления позволяет создавать предварительно протестированные механические и электрические модули, которые могут быть объединены в модульную систему для создания решений под ключ. Путем объединения протестированных функциональных модулей для механических, электрических устройств, периферийных устройств ввода-вывода и управляющих программ значительно сокращается продолжительность проектировки, монтажа и ввода в эксплуатацию.

Тип подключения - INTERBUS-Master. Память для данных составляет 2,4999561309814 Мбайт, а программное запоминающее устройство - 1 Мбайт, стандартная команда IL. - 85 к. Память для постоянного хранения данных - 8 кбайт (энергонезависимая память). Степень защиты IP-20.

Используемые дискретные модули:

- Модуль дискретного вывода IB IL 24 DO 8-PAC/SN

8 выходов, 24 В постоянного тока, 500 мА, 2, 3, 4-проводная схема подключения, стандартная маркировка

Используемые аналоговые модули:

- Модуль аналогового ввода IB IL AI 8/SF-PAC;

8 входов, 0 - 20 мА, 4 - 20 мА, ±20 мА, 0 - 10 В, ±10 В (дополнительно 0 - 40 мА, ±40 мА, 0 - 5 В, ±5 В, 0 - 25 В, ±25 В, 0 - 50 В), 2-проводная схема подключения

- Модуль аналогового ввода с HART протоколом IB IL AI 2-HART-PAC;

2 входа, 0 - 25 мА, 4 - 20 мА, 2-проводная схема подключения, функции HART, передача данных с использованием протокола HART

- Модуль ввода для термоэлементов IB IL TEMP 6 RTD HEI 1 DO6-PAC;

модуль Inline с измерителями температуры, с мультиплексной передачей данных, с 6 входами для резистивных термометров, 6 дискретных выходов (24 В, 70 мА), 1 вход для определения полного тока через нагревательные элементы.

Модули аналогового ввода Inline предназначены для подключения стандартных датчиков и приема сигналов тока или напряжения. Модуль имеют следующие особенности:

- высокая точность измерения,

- быстрая регистрация измеренных значений,

- высокая степень подавления помех и синфазной составляющей,

- регистрация измеренных значений с 16-битным разрешением.

Все модули обладают стандартными возможностями клеммных модулей аналогового ввода Inline, такими как, многопроводная система подключения и автоматическое подключение к заземлению при установке на DIN-рейку. Модули Inline могут оснащаются откидными держателями для маркировки. В держатели вставляются маркировочные карточки, соответствующие назначению модуля.

Таким образом контроллер состоит из 4 модулей: одного модуля - IB IL AI 8/SF-PAC и IB IL TEMP 6 RTD HEI 1 DO6-PAC, двух модулей - IB IL AI 2-HART-PAC.

ПЛК рекомендуют располагать на DIN -рейке 35мм по DIN EN 50022.

[5, 10, 11]

Результатом выбора всех технических средств и приборов в соответствии со схемой автоматизации является составление заказной спецификации (смотри лист 3 графической части работы).

5. Синтез локальной автоматической системы регулирования

5.1 Выбор датчика

Выбор датчиков технологических параметров определяется физической природой параметра. При этом анализируются технические характеристики и возможности всего ряда датчиков, пригодных для измерения регулируемой величины.

1. При анализе в процессе выбора датчика в первую очередь необходимо учитывать характеристики контролируемой и окружающей сред (температуру, влажность, давление и т. д.), в которых придется работать прибору. Здесь также учитываются условия, в которых находится контролируемый параметр (в открытых емкостях, находящихся под атмосферным давлением, в закрытых емкостях под избыточным давлением, в трубопроводах и т. д.). Условия окружающей среды влияют на исполнение датчика (искробезопасное, тропическое и т. д.).

2. Диапазон действия датчика выбирается с учетом минимальных и максимальных длительных...