Автоматизация процессов приготовления асбестоцементной массы
Процесс приготовления асбестоцементной массы, особенности его автоматизации. Система автоматического регулирования температуры воды в рекуператорах. Исходные данные к проекту. Описание решаемой задачи автоматизации. Обоснование выбора типа регулятора.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.10.2017 |
| Размер файла | 2,7 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Федеральное агентство по образованию
Сибирская автомобильно-дорожная академия
(СибАДИ)
Курсовая работа
По дисциплине: Автоматизация технологических процессов и производств
Тема: Автоматизация процессов приготовления асбестоцементной массы
Руководитель: к. т. н. Руппель А.А.
Студент: АП-08Т1 Хайсаров Ф.Т.
Омск 2011
Содержание
- Введение
- 1. Анализ литературных источников
- 2. Технологический раздел
- 2.1 Описание процесса приготовления асбестоцементной массы
- 2.2 Описание системы автоматического регулирования процесса приготовления асбестоцементной массы
- 2.3 Описание системы автоматического регулирования температуры воды в рекуператорах
- 3. Раздел автоматизации
- 3.1 Исходные данные к проекту
- 3.2 Описание решаемой задачи автоматизации
- 3.3 Идентификация ТОУ с помощью пакета SIT
- 3.4 Обоснование выбора типа регулятора
- Заключение
- Список используемой литературы
Введение
Техническое перевооружение легкой промышленности, ускоренное внедрение новых технологических процессов невозможно без использования современного высокопроизводительного оборудования, комплексной механизации и автоматизации. Разработка и внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) на предприятиях текстильной и легкой промышленности позволяет решать задачи оперативного управления производством на трех основных уровнях:
? локальные средства автоматики ТПП;
? автоматизированные системы управления предприятиями (АСУП);
? отраслевая автоматизированная система управления (ОАСУ).
Характерная особенность современного этапа автоматизации состоит в том, что она опирается на революцию в электронно-вычислительной технике, на самое широкое использование микропроцессорных технологий, а также на быстрое развитие робототехники и гибких производственных систем.
Автоматизация технологических и производственных процессов - одно из важнейших направлений научно-технического и социального прогресса. Главная цель автоматизации - обеспечить оптимальное течение технического процесса в реальных условиях при достижении заданного качества и эффективности.
Надёжность и достоверность технологического контроля и автоматического управления во многом определяются качеством наладки контрольно - измерительных приборов, средств автоматизации, систем и устройств технологической сигнализации, защиты и блокировки. Измерительные приборы и автоматические устройства обеспечивают оптимальное протекания технологического процесса, недоступное ручному управлению.
автоматизация регулятор асбестоцементная масса
Изучение работы агрегатов и технологических процессов позволяет выявить законы управления производственными объектами, которые могут быть реализованы техническими средствами для повышения технико-экономических показателей функционирования объектов, а также высвобождения персонала (контроль и регулирование технологических процессов). В наши дни происходит все больше внедрение в производственные процессы автоматов, помогающих, или вовсе заменяющих человека. В первую очередь, это применяется при опасных производствах, участие в которых человека нежелательно, или вовсе невозможно. Также часто автоматизируются процессы, слишком скоротечные для визуального контроля человека. Там все чаще устанавливаются автоматические датчики, показания с которых поступают на накопители, или в память компьютера, где они хранятся для дальнейшего изучения. Контроль скоротечных процессов также осуществляется автоматами.
Анализ структурных схем системы автоматического регулирования (САР) показывает, что основным элементом системы является объект управления. Объект управления (регулирования) - это промышленная установка, в которой есть необходимость управлять технологическим процессом автоматически, следовательно, без участия человека. Очевидно, что при создании САР свойства объекта управления будет играть существенное значение при выборе элементов для реализации этой системы, а также на свойства системы в целом. При этом надо отменить, что если характеристиками элементов можно как-то варьировать, то свойства объекта управления остаются, практически неизменными. Поэтому изучение характеристик объекта управления является одной из основных задач системы автоматического управления и регулирования.
Технологические процессы производства цемента представляют собой достаточно типичные объекты применения методов теории автоматического регулирования, но в то же время это своеобразная область развития автоматизированного (человеко-машинного) управления вплоть до создания интегрированных АСУ организационно-технологического типа.
В данной курсовой работе Я разрабатываю САР для рекуператора, чтобы обеспечить оптимальный режим работы, в соответствии с параметрами объекта.
1. Анализ литературных источников
Возникновению производства асбестоцементных изделий предшествовал длительный период развития асбестовой и цементной промышленности. Первое месторождение асбестовых руд в России было обнаружено на р. Тагил в 1720 г., тогда же началась ручная добыча асбеста и изготовление асбестовых тканей. Возникновение асбестодобывающей промышленности относится к концу 19в., когда в 1885г. в 80 км. от Свердловска было открыто одно из крупнейших в мире месторождений высококачественного асбеста, которое стали именовать по названию ближайшего села Баженовским. Первый в России завод товарного портландцемента был построен в 1856 г. в г. Гродзеце. Позже были пущены заводы в г. Риге (1866 г.), Подольске (1875 г.), Новороссийске (1882 г.) и в других местах. Особенно бурно развивалась цементная промышленность с 1890 по 1900 г., когда выпуск цемента в России увеличился в пять раз. Наличие асбеста и цемента послужило предпосылкой для возникновения асбестоцементного производства.
Асбестоцементная промышленность возникла в начале XX столетия, когда чешский изобретатель Людвиг Гачек, подав в бумагоделательную машину массу, состоящую из смеси асбеста, цемента и воды, получил в ней первый асбоцемент. В России первый завод асбестоцементных изделий был пущен в 1908 г., в г. Брянске, а в 1912 г. - второй завод - в Ростове-на-Дону. Постоянное расширение производства и применения асбоцементных изделий являлась устойчивой традицией отечественной промышленности строительных материалов и строительства, обусловленной прежде всего наличием уникальных запасов асбеста в России, на Урале. На протяжении долгого времени происходило улучшение качества продукции за счет применения в промышленности более совершенных технологических режимов и машин, повышения технического уровня и культуры производства. Значительный эффект был получен за счет автоматизации управления технологическими процессами и машинами, внедрения ЭВМ. Однако и на современном этапе развития, одним из важных вопросов технологического прогресса остается решение ряда сложных задач по автоматизации технологического процесса. Институтом ВИАСМ совместно с НИИАсбестоцементом созданы необходимые приборы для контроля параметров технологического производства асбестоцементных изделий, спроектированы и отработаны системы автоматического регулирования основных технологических процессов. Работы по автоматизации в той или иной степени проводятся коллективами всех асбестоцементных предприятий.
Институт НИИАсбестоцементом выполняет функции головного в системе Госстроя России по научным исследованиям в области изучения месторождений асбеста, технологии и механизации горных работ, обогащения асбестовых руд, разработки обогатительного оборудования, автоматизации и механизации производственных процессов, является действительным членом Торгово-промышленной палаты России, членом-корреспондентом Международной группы по безопасному использованию волокон асбеста (МГБВ), базовой организацией метрологической службы по предприятиям асбестовой промышленности. На базе института созданы Технический комитет стандартизации асбеста, независимый испытательный Центр асбеста, аккредитованный в системе Госстандарта России. На базе института создана Асбестовая ассоциация России, которая объединяет всех производителей и потребителей асбеста.
Новые технологии в асбестоцементной промышленности ОАО "Волна" (раньше оно называлось Красноярским комбинатом асбестоцементных изделий) широко известно своей продукцией с 1951 года. В период с 1990 по 1996 годы на предприятии были проведены глубокие маркетинговые исследования мирового рынка, тщательно изучен спрос на выпускаемую асбестоцементную продукцию, осуществлен анализ существующих тенденций развития производства асбестоцементных изделий, и, исходя из этого, была произведена замена отечественных физически и морально устаревших технологических линий по выпуску листовых материалов и асбестоцементных труб на новое, передовое, отвечающее всем мировым стандартам оборудование австрийской фирмы "Фойт".
После реконструкции предприятие было оснащено шестью технологическими линиями по производству кровельных асбестоцементных листов профилем СЕ-51/177 и СВ-40/150, асбестоцементных плоских прессованных листов, асбестоцементных труб и кровельно-облицовочной плитки. ОАО "Волна" вошло в десятку экологически благополучных предприятий Красноярского края. За счет технического перевооружения удалось добиться снижения нормативов предельно допустимых выбросов в атмосферу с 358,4 т в 1990 г. до 7,7 т в 1998 г., т.е. почти в 50 раз.
В последние годы в мировой практике наметилась тенденция, ставящая под сомнение не только целесообразность развития асбестоцементной промышленности, но и само ее существование, в связи с распространяющимися сведениями о том что асбест канцерогенен. В ряде стран запрещено использование асбестоцемента в строительстве, особенно во внутренних помещениях зданий в непосредственном контакте с деятельностью человека. Ряд организаций различных стран объясняют распространение подобных сведений конкурентной борьбой на мировом рынке. Учитывая эти обстоятельства, с одной стороны, ведутся поиски альтернативных волокон, с другой, - разрабатываются технологии по дальнейшему совершенствованию отрасли.
На сегодняшний день в мире существуют три точки зрения, три позиции по поводу отношения к асбестоцементу и изделий из него.
1. Российская - "применяли, применяем и будем применять впредь". Такая позиция обусловлена следующими установками: отечественные предприятия используют хризотиловый асбест, не содержащий вредных примесей; Минздрав России на основании многолетних наблюдений не выявил токсичности хризотилового асбеста и издал перечень асбестоцементных материалов и конструкций, разрешенных к применению в строительстве, этой точки зрения придерживается и Всемирная организация здравоохранения; учитывая антиасбестовые настроения, просто необходимо ужесточить контроль над соблюдением санитарно-гигиенических требований и норм на предприятиях работающих с асбестом (в конце концов, по неразумности можно отравиться чем угодно).
2. Американская - "давайте разберемся". В настоящее время в США около 60 университетов, научно-исследовательских центров, госпиталей и прочих организаций подключены к исследованию влияния асбеста на здоровье. Такая позиция обусловлена тем, что американская промышленность использует канадские асбесты, которые относятся к амфиболовой группе и все же имеют примеси, вредные для здоровья. Ко всему прочему американцам есть, что терять - ведь США потребляли и потребляют огромное количество асбеста. Вся "одноэтажная Америка" построена с применением асбестсодержащих материалов. Во всяком случае, в США разрешены к использованию все асбестоцементные изделия без ограничения.
3. Европейская - "асбест запретить и заменить". Самая простая и неразумная позиция. Причем, неразумность этой позиции признает вся мировая научная общественность. Американская медицинская ассоциация выразила свое недоумение по поводу того, что наука была проигнорирована, когда общество охватил страх в связи с асбестом. Несмотря на запрет, Португалия, Испания, Греция и Ирландия все же не отказались от асбестоцемента.
Поиски заменителей асбеста ведутся уже более 60 лет. Начались они по причине дефицита асбеста. Эксперименты проводились со стекловатой, стальной фиброй, пластмассой, базальтовым волокном, целлюлозой и другими материалами, но найти заменитель, сопоставимый с асбестом по всей совокупности его свойств и качеств до сих пор так и не удалось. Если они могли сравниться с ним по физико-механическим характеристикам, то по экономическим показателям изделия на их основе получались значительно дороже.
Асбестовые волокна созданы природой, а при производстве заменителей затрачиваются большие дополнительные ресурсы. Материалы с заменителями асбеста рекламируются как экологически чистые, но при этом замалчивается, чего стоит экологии изготовление этого заменителя. Возьмите ту же целлюлозу, производство которой грозит погубить уникальное озеро "Байкал".
Замена асбеста на другие материалы сопряжена с одной щекотливой проблемой - насколько долговечными окажутся изделия с применением заменителей. Напомним, что подобные материалы выпускаются относительно недавно, чуть более 10 лет, но поступающая информация не внушает достаточного оптимизма. По данным технической службы США, в последние несколько лет участились сообщения о проблемах, связанных с безасбестовыми кровельными материалами, причем, сообщения касаются изделий, изготовленных разными производителями. И еще одна проблема, которую признали сами европейцы, - аллергия на заменители асбеста. В Швеции последнее время острейшей проблемой стал синдром аллергенных домов, в Германии резко увеличилось количество профессиональных заболеваний строителей, работающих с заменителями асбеста. Именно эти страны в числе первых отказались от использования асбеста в строительстве.
Правильность выбранной Россией позиции подтверждает тот факт, что Международная организация по стандартизации (ISO) разработала для асбестовой и асбестоцементной отраслей промышленности стандарт ISO 14001 по безопасности для окружающей среды. Международное агентство по изучению рака в 1995 году назвало металлургию и промышленность пластмасс основными источниками канцерогенов, но не асбестоцементная ни асбестодобывающая промышленность в перечень не включены.
2. Технологический раздел
2.1 Описание процесса приготовления асбестоцементной массы
Асбестоцементная масса - это смесь, состоящая из трех компонентов: цемента, асбеста и воды. Асбест в асбестоцементе является арматурой и для наиболее эффективного проявления армирующих свойств его нужно соответствующим образом приготовить. Суть подготовки асбеста заключается в том, чтобы как можно больше развить поверхность асбестовых волокон или, как принято говорить в асбестоцементной промышленности, увеличить степень его распушки. Достигается это путем предварительного раздавливания пучков волокон катками бегунов, а затем расщеплением в водной среде. После достижения определенной степени распушки асбест смешивают с цементом и в виде асбестоцементной суспензии подают на формовочные машины. Следует иметь в виду, что на распушку подают так называемую смеску - шихту, состоящую из нескольких сортов и текстур асбеста. Соотношение сортов и текстур устанавливают технологической картой.
2.2 Описание системы автоматического регулирования процесса приготовления асбестоцементной массы
Автоматизация процесса подготовки асбестоцементной массы должна обеспечить требуемую дозировку компонентов, распушку волокон асбеста, смешивание цемента и распушенного асбеста с водой и регулирование подач асбестоцементной массы в производство.
Автоматизация процессов приготовления асбестоцементной массы на различных заводах в зависимости от наличия оборудования, его компоновки и т.п. решается по-разному. В общем виде систему автоматизации заготовительного отделения с учетом достижений асбестоцементных передовых предприятий можно представить так, как она показана на рис.1. Основная задача этой системы состоит в том, чтобы обеспечить устойчивую работу формовочных машин путем своевременной подачи заданного количества асбестоцементной суспензии, имеющей высокое качество. Необходимое количество суспензии получают за счет точного дозирования сырьевых компонентов, высокое качество же обеспечивают за счет точного соблюдения параметров их обработки.
Cистема автоматизации предусматривает:
1) двухпозиционный контроль уровня асбеста в бункерах; в зависимости от степени заполнения бункеров производится подача асбеста или прекращается его поступление в бункера;
2) контроль поступления асбеста с конвейера в бегуны, необходимый для своевременной сигнализации о наличии или отсутствии асбеста на нем; эту величину контролируют при помощи отклоняющейся под воздействием массы асбеста пластинки, связанной с конечным выключателем и устанавливаемой на входе в бегуны;
3) двухпозиционный контроль заполнения бункера цементом; при достижении верхнего или нижнего уровня подается сигнал, воздействующий на краны подачи цемента.
В голлендерах и смесителях уровень контролируют в трех точках, а в дозировочном бачке воды у бегунов - в двух. Сведения об этих параметрах необходимы для дозирования воды в суспензию. Степень распушки определяют лабораторным путем, потому что автоматического прибора для контроля этого параметра еще не создано. Уровень суспензии в ковшовой мешалке контролируют в двух точках.
Система автоматического регулирования действует следующим образом. Растаренный асбест разных марок в заданном весовом количестве засыпается в приемный бункер смесителя, перемешивается шнеками смесителя и поступает в бегуны для обмятия. В начале процесса обмятия в бегуны подается порция воды для увлажнения. Обмятая на бегунах порция асбеста периодически выдается в мешалку, в которую также периодически подается вода в заданном количестве. Из мешалки водная суспензия асбеста насосом перекачивается в голлендер, куда из дозатора подается порция цемента. Приготовленная асбестоцементная масса из голлендера периодически поступает в ковшовую мешалку для непрерывной подачи на формовочные машины.
В значительной мере качество продукции определяет распушка асбеста. Различают три вида распушки: сухую, мокрую и полусухую. При сухом способе распушку производят на бегунах и пушителях. В бегунах разминаются пучки асбеста, нарушается связь между волокнами, а в пушителе (дезинтеграторе) происходит дальнейшее расщепление размятых пучков на отдельные волокна. В настоящее время для обминания асбеста все большее распространение получает валковая машина. В отличие от бегунов эта машина выпускает высококачественный обмятый асбест непрерывным потоком. Окончательно асбест распушивается в голлендере, а затем в него добавляют цемент и воду и перемешивают до получения однородной асбестоцементной массы. Голлендер представляет собой металлическую или железобетонную ванну, разделенную посередине продольной перегородкой, не доходящей до краев. В одной половине ванны расположен барабан, снабженный стальными ножами. Под барабаном на дне ванны помещена чугунная коробка, в которой находится гребенка, расположенная под углом 1,5.2,5° к оси барабана. Ванну наполовину заполняют водой, затем подают предварительно распушенный асбест. При вращении барабана (180.240 мин) смесь увлекается в зазор между ножами барабана и гребенкой, перебрасывается через горку, проходит по ванне и вновь попадает под барабан. Циркуляция смеси продолжается до 10 мин, степень распушки волокна при этом должна составлять 90.95%. Затем загружают цемент, добавляют воду и производят дополнительное перемешивание. К концу перемешивания почти весь цемент адсорбируется на волокнах асбеста. Голлендер - аппарат периодического действия. Для непрерывного питания формовочной машины необходимо создать запас асбестоцементной массы в ковшовом смесителе (чане), который бы периодически пополнялся из голлендера. Перемешивание находящейся в ней массы осуществляется крестовиной с лопастями. На одном валу с крестовиной находится каркасный круг - "ковшовый элеватор". Ковши зачерпывают массу из чана и подают в приемную коробку листоформовочной или трубоформовочной машины. В настоящее время на предприятиях внедряются голлендеры непрерывного действия большой производительности. Вода и асбест непрерывно загружаются в ванну с одного конца голлендера, а готовая асбестовая суспензия выливается с другого конца. Производительность голлендера непрерывного действия соответствует производительности валкового обминателя.
2.3 Описание системы автоматического регулирования температуры воды в рекуператорах
Воду в бегуны, распушители и смесители, необходимую для получения асбестоцементной массы требуемого состава, дозируют по времени, массе и уровню. Для поддержания постоянного гидростатического напора во всей системе регулируют уровень воды в рекуператорах, и в частности в сборнике чистой воды. Регулирование двухпозиционное с воздействием на регулирующий клапан. Кроме того, автоматически регулируют температуру воды изменением расхода пара в рекуператоре.
Рекуператорное отделение предназначено для очистки обработанной воды от примесей и для подогрева воды, поступающей обратно в производство. Температура технологической воды относится к фактору, ускоряющему коагуляцию волокон асбеста. Оптимальная температура суспензии, обеспечивающая наилучшие условия для адгезии зерен цемента к волокнам асбеста, зависит от минералогического состава цемента и его дисперсности. Температура воды является одним из существенных факторов, влияющих на фильтрационную способность асбестоцементной массы и производительность листформовочных машин. Таким образом, система автоматического регулирования должна обеспечивать температуру воды в рекуператорах, возможно более близкую к оптимальной.
Рекуператор, применяемый для рекуперации - очистки технологической воды с целью повторного ее использования, представляет собой сварной резервуар цилиндрической формы с коническим днищем. В процессе очистки технологической воды в рекуператоре происходит разделение ее на два потока; первый - насыщенный зернами цемента и волокнами асбеста и второй - в большей мере очищенный от них. Технологическая вода от формовочных машин центробежными насосами подается в центральную трубу рекуператора и опускается по ней до начала конического днища. В результате того, что центральная труба расширяется к низу, скорость движения воды к выходу из нее несколько снижается. На выходе же из центральной трубы скорость воды резко снижается, затвердевшие крупные частицы цемента и асбеста продолжают по инерции двигаться в зоне конического днища вниз, при этом вода разделяется на два потока: один (больший), огибая центральную трубу и изменяя направление движения на 180°, поднимается по цилиндрической части рекуператора; другой (меньший) направляется в конусное днище, где отводится через проходной кран. Скорость движения (подъема) воды по цилиндрической части рекуператора не должна превышать 3 мм/с. При такой скорости мелкие частицы цемента и волокна асбеста оседают и опускаются в коническое днище рекуператора. В результате этого вода, поднимающаяся по цилиндрической части рекуператора, очищается от частиц цемента и волокон асбеста, а вода в коническом днище насыщается ими. Поступившая наверх рекуператора очищенная вода через край корпуса по всей его окружности переливается в кольцевой желоб и по нему подается в сборник очищенной воды и далее направляется в производство. Насыщенная вода из нижней части конического днища через проходной кран поступает на разжижение асбестоцементной массы.
В состав автоматического регулирования температуры воды в рекуператорах (рис.2) входят следующие элемента: термометры сопротивления, автоматический показывающий, записывающий и регулирующий трехточечный мост, регулирующий клапан с электроприводом и дистанционный указатель положения клапана. Термометры сопротивления установлены в каждом рекуператоре и подключены к мосту, но только термометр рекуператора чистой воды действует на регулятор, а остальные два служат для контроля. Регулирующий клапан установлен на паропроводе рекуператора чистой воды.
Схемой предусмотрены два режима работы системы регулирования температуры воды: автоматический и дистанционный, который предусмотрен для ремонтных работ и в случае отказа автоматики. Схема обеспечивает поддержание заданной температуры воды в пределах ±2єС, что соответствует техническим требованиям для нормальной работы машин. Внедрение этой системы позволяет увеличить производительность машин и снизить потери от брака более чем на 10%.
Рис. 2. Принципиальная схема автоматического регулирования температуры воды в рекуператорах
Рис. 1 Принципиальная схема автоматического регулирования работы заготовительного отделения. 1-склад, 2-растарировочная машина, 3-конвейер асбеста, 4-бункер цемента, 5-бегуны, 6-распушитель, 7-смеситель, 8-ковшовая мешалка
3. Раздел автоматизации
3.1 Исходные данные к проекту
1. Регулируемая величина: Температура воды в рекуператоре.
2. Объект автоматизации: Рекуператор.
3. Исходные данные для идентификации объекта автоматизации - dan (1401: 1500).
4. Интервал измерения (время дискретизации) - Тs= 7 с.
5. Передаточные функции:
Датчика: Кg = 0,6.
Регулируемого органа: Кро = 0,15.
Исполнительного механизма: .
3.2 Описание решаемой задачи автоматизации
Выбираем контур регулирования температуры воды в рекуператоре, из общего процесса регулирования (Рис. 3).
Рис. 3 Функциональная схема контура регулирования САР поддержания оптимальной температуры воды в рекуператоре температуры воды в рекуператоре.
На основе функциональной схемы контура САР процесса регулирования температуры воды в рекуператоре, составим структурно-функциональную схему (Рис.4), для определения автоматического регулятора.
Рис.4 Структурно-функциональная схема контура регулирования САР процесса поддержания оптимальной температуры воды в рекуператоре
На структурно-функциональной схеме приняты следующие обозначения: З - Задатчик; Р - регулирующий орган; ИМ - исполнительный механизм; ТОУ - технологический объект управления; Т - датчик температуры.
В системе автоматизации процесса приготовления асбестоцементной массы предъявляются специальные требования, которые должны обеспечить следующие положительные эффекты:
1. сокращение расхода топлива
2. увеличения качества продукции
3. уменьшения брака
Для получения таких положительных эффектов автоматическая система регулирования должна удовлетворять следующим требованиям:
Обеспечить статическую ошибку - не более 5 %.
Максимальное перерегулирование - не более 10 %.
Время регулирования tр - не более 200 с.
Время нарастания - не более 35 с.
Запас устойчивости по амплитуде - не менее 10 дБ.
Запас устойчивости по фазе - от 30 до 80 град.
Для анализа САР процесса регулирования температуры воды в рекуператоре, составим алгоритмическую схему (Рис.5).
Рис.5 Алгоритмическая схема контура регулирования САР процесса
Для большинства элементов системы автоматизации, математические модели статических и динамических свойств известны:
Датчика: Кд = 0,6; Регулируемого органа: Кро = 0,15;
Исполнительного механизма: .
Из-за недостаточной изученности ТОУ, для получения его математической модели, воспользуемся статистическими данными, полученными экспериментально, т.е. проведем идентификацию объекта автоматизации.
3.3 Идентификация ТОУ с помощью пакета SIT
1. Загрузка в рабочую область MATLAB исходных данных эксперимента занесенных в файл DATA с помощью команды:
>> load datta
2. Вводим интервал дискретизации (интервал через который производились измерения входной и выходной величин):
>> ts=7
3. Формируем файл исходных данных для пакета SIT:
>> dan13 = iddata (y (1401: 1500), u (1401: 1500), ts)
4. Вводим названия входной и выходной переменных (u, y), при помощи:
>> dan13. inputn = 'Rashod para'
>> dan13. outputn = 'Temperatura'
5. Вводим единицы измерения переменных (u, y):
>> dan13. inputuntil = 'm^3/hour'
>> dan13. outputuntil = 'grad'
6. Посмотрим полную информацию о файле:
>> get (dan13)
ans =
Domain: 'Time'
Name: []
OutputData: [100x1 double]
y: 'Same as OutputData'
OutputName: {'Temperatura'}
OutputUnit: {'grad'}
InputData: [100x1 double]
u: 'Same as InputData'
InputName: {'Rashod para'}
InputUnit: {'m^3/hour'}
Period: Inf
InterSample: 'zoh'
Ts: 7
Tstart: []
SamplingInstants: [100x0 double]
TimeUnit: ''
ExperimentName: 'Exp1'
Notes: []
UserData: []
7. Для графического представления данных воспользуемся командой:
>> plot (dan13)
8. При использовании исходных данных произведём предварительную обработку этих данных с целью удаления тренда из набора, и если необходимо, отфильтруем данные с помощью средств имеющихся в пакете “SIT”, разделив данные на две половины:
Dan13v - используется “Matlab" для построения модели объекта
Dan13e - используется для проверки адекватности полученной модели
Открываем графический интерфейс пользователя пакета SIT:
>> ident
9. Проводим предварительную обработку файла исходных данных
Operations > Quick start:
dand - исходные данные без тренда
dande - половина файла с которой работает пакет SIT (с этой сравниваем)
dandv - половина файла которая оставлена для сравнения с результатами регулирования (с этой работаем)
10. Приступаем к параметрической идентификации (получение различных видов мат. модели объектов). Нахождение оценок различных моделей производится нажатием на клавишу Estimate:
Parametric models - параметрическая идентификация
Spectral model - производится оценивание частотных характеристик модели
Correlation model - оценивание модели импульсной характеристики
Для нахождения параметров уравнений, описывающих ТОУ, необходимо провести параметрическую индикацию:
А) ARX - модель авторегрессии с дополнительным входом:
Б) ARMAX - модель регрессии скользящего среднего:
В) ОЕ - модель выход-ошибка:
Г) BJ - модель Бокса-Дженкинса:
Д) State space - модель для переменных состояний:
11. После того, как получили необходимое количество моделей, определим наиболее близкую модель путем сравнения коэффициентов адекватности (Model Output):
Выбираем модель с хорошими показателями адекватности (в моем случае это модель “n4s3”) т.к. ее показатели адекватности составляют 83%.
Преобразование модели
Проведем преобразование модели. Все полученные модели в рабочей области Matlab представлены в и-формате (внутренний вид матричных моделей) и являются дискретными. Для преобразования моделей из тетта-формата в вид, удобный для дальнейшего использования при анализе и синтезе систем автоматики в пакте SIT есть специальные функции:
12. Преобразуем модель тета-формата в вектор передаточных функций:
>> [num,den] =th2tf (n4s3)
num =
0 0.0081 0.0022 0.0600
den =
1.0000 - 1.9609 1.4657 - 0.4401
13. Для представления передаточной функции в виде привычном для нашего глаза выполним:
>> zn4s3=tf (num,den,7)
Transfer function:
0.008076 z^2 + 0.002226 z + 0.05999
z^3 - 1.961 z^2 + 1.466 z - 0.4401
Sampling time: 7 (Осуществление выборки времени)
14. Преобразуем дискретную передаточную функцию в непрерывную:
>> Ws=d2c (zn4s3)
Transfer function:
0.00608 s^2 - 0.001792 s + 0.000318
s^3 + 0.1173 s^2 + 0.01401 s + 0.0002927
15. Преобразуем дискретную модель тета-формата в непрерывную модель:
>> sn4s=thd2thc (n4s3)
State-space model: dx/dt = A x (t) + B u (t) + K e (t)
y (t) = C x (t) + D u (t) + e (t)
A =
x1 x2 x3
x1 - 0.018423 0.0062662 - 0.019034
x2 0.033099 - 0.011022 - 0.074865
x3 - 0.080802 0.17317 - 0.087814
B =
Rashod para
x1 - 0.0062025
x2 0.019561
x3 - 0.037115
C =
x1 x2 x3
Temperatura - 2.8015 - 0.33278 0.12898
D =
Rashod para
Temperatura 0
K =
Temperatura
x1 - 0.0052945
x2 - 0.035445
x3 0.16992
x (0) =
x1 0
x2 0
x3 0
Estimated using N4SID from data set dan13de
Loss function 0.00347817 and FPE 0.00500517
16. Получим числитель и знаменатель непрерывной передаточной функции:
>> [num1,den1] =th2tf (n4s3)
num1 =
0 0.0081 0.0022 0.0600
den1 =
1.0000 - 1.9609 1.4657 - 0.4401
17. Получаем передаточную функцию непрерывной системы:
>> sysn4=tf (num1,den1)
Transfer function:
0.008076 s^2 + 0.002226 s + 0.05999
s^3 - 1.961 s^2 + 1.466 s - 0.4401
18. Построим переходную характеристику ТОУ для дискретной и непрерывной моделей и определим основные показатели переходного процесса. Для этого можно воспользоваться командой step (n4s4,sn4s), либо командой plot (n4s4,sn4s).
Различие заключается в том, что в последнем случае представляется возможность использовать все достоинства LTI view:
>> plot (n4s3,sn4s)
На графике переходных процессов ступенчатой линией представлен переходной процесс дискретной модели, сплошной линией представлен переходной процесс непрерывной модели.
Для дискретной модели:
время нарастания переходного процесса (Rise time) - 84с.
время регулирования (Setting time) - 175с.
установившееся значение выходной координаты (Final value) - 1,09
Для непрерывной модели:
время нарастания переходного процесса (Rise time) - 83,6с.
время регулирования (Setting time) - 168с.
установившееся значение выходной координаты (Final value) - 1,09
19. Для построения импульсной характеристики непрерывной модели необходимо воспользоваться командой impulse (sn4s), либо, щелкнув правой кнопкой мыши в поле графика LTI view, выбрать опцию Plot Types > Impulse:
пиковая амплитуда (Peak amplitude) составляет - 30,9.
время регулирования составляет (Setting time) - 175 с.
20. Определим частотные характеристики моделей с помощью команды bode (sn4s) либо, щелкнув правой кнопкой мыши в поле графика LTI view, выбрать опцию Plot Types > Bode:
Значение запасов устойчивости можно определить с помощью команды
>> [Gm,Pm,Wcg,Wcp] = margin (n4s3,sn4s)
Gm = 2,5875 - запас устойчивости по амплитуде в натуральных величинах на частоте Wcg
Pm = 145,4173 - запас устойчивости по фазе на частоте Wcp
Wcg = 0,0851
Wcp = 0,0110
В логарифмическом масштабе
Gmlog=20*log10 (Gm) = 8,2577
На графиках частотных характеристик указаны значения запасов устойчивости по амплитуде (Gain Margin), которая для непрерывной модели ДL = 9,09 dB.
21. Для построения АФХ необходимо воспользоваться командой nyquist (sysn4s), либо, щелкнув правой кнопкой мыши в поле графика LTI view, выбрать опцию Plot Types > Nyquist.
22. Для наглядности построим график изменения Y и определим основные статистические характеристики помехи с помощью команды:
>> plot (y)
Для получения статистических характеристик необходимо в строке меню графика в позиции Tools выбрать опцию Data statistics. Результатом выполнения команды явится окно, в котором будут указаны основные статистические характеристики случайного процесса изменения во времени y (t):
Статистические характеристики
min и max - минимальное и максимальное значения помехи. Для нашего случая - 303.2 и 306.3 соответственно;
mean - арифметическое среднее значение (304.9);
median - медиана процесса (304.9);
std - среднеквадратическое отклонение (0,8296);
range - диапазон изменения помехи от минимального до максимального значения (3.05).
Управляемость и наблюдаемость
Для решения задач анализа и синтеза системы управления важно знать, является ли объект управляемым и наблюдаемым. Управляемость объекта заключается в способности объекта после подачи управляющего воздействия перейти из заданной начальной точки в заданную конечную. Наблюдаемость объекта заключается в возможности выяснить состояние объекта (вектора фазовых координат) по измеренным значениям выходной переменной на некотором временном интервале.
Объект называется вполне управляемым, если выбором управляющего воздействия U (t) можно перевести его на интервале времени от t0 до tк из любого начального состояния y (t0) в произвольное заданное конечное состояние y (tк). Критерием управляемости линейных стационарных объектов является условие: для того, чтобы объект был вполне управляемым, необходимо и достаточно, чтобы ранг матрицы управляемости Mи был равен размерности вектора состояний n.
Критерием наблюдаемости линейных стационарных объектов является условие: для того, чтобы объект был вполне наблюдаемым, необходимо и достаточно, чтобы ранг матрицы наблюдаемости МY = (CT ATCT (AT) 2CT … (AT) n-1C) равнялся размерности вектора состояния n = rang MY.
Объект называется вполне наблюдаемым, если по реакции на выходе объекта, можно определить начальное состояние вектора переменных состояний являющихся фазовыми координатами объекта, т.е. для него всегда можно определить по значениям выходной величины y (t) вектор переменных состояния, необходимый для синтеза системы управления.
23. Для нахождения матрицы управляемости Mu и матрицы наблюдаемости МY необходимо знать матрицы A, B, C, D управления переменных состояний. Воспользуемся матрицами модели в пространстве состояния:
>> [A,B,C,d] =ssdata (sn4s)
A =
0.0184 0.0063 - 0.0190
0.0331 - 0.0110 - 0.0749
0.0808 0.1732 - 0.0878
B =
0.0062
0.0196
0.037
C =
2.8015 - 0.3328 0.1290
d =
0
Вычислим матрицу управляемости:
>> Mu=ctrb (A,B)
Mu =
0.0062 0.0009 - 0.0001
0.0196 0.0024 - 0.0005
0.0371 0.0071 - 0.0003
Определим ранг матрицы управляемости:
>> n=rank (Mu)
n =
3
В данном случае ранг матрицы управляемости равен 3 и размерность вектора состояния равна 3, т.е. объект вполне управляем.
Вычислим матрицу наблюдаемости:
>> My=obsv (A,C)
My =
2.8015 - 0.3328 0.1290
0.0302 0.0084 0.0669
0.0057 0.0117 - 0.0071
Вычислим ранг матрицы наблюдаемости:
>> n=rank (My)
n =
3
В данном случае ранг матрицы наблюдаемости равен 3 и размерность вектора состояния равна 3, т.е. объект вполне наблюдаем.
3.4 Обоснование выбора типа регулятора
После того как стали известны передаточные функции всех элементов системы автоматизации, соберем структурную схему автоматизации в SIMULINK. Система состоит из регулируемого органа, исполнительного механизма, объекта управления и датчика, включенного в обратную связь.
Собрав структурную схему в Simulink, с помощью LTI находим динамические характеристики системы. Система должна удовлетворять следующим требованиям:
|
Статическая ошибка |
Максимальное перерегулирование |
Время регулирования |
Время нарастания |
Запас устойчивости по амплитуде |
Запас устойчивости по фазе |
|
|
? 5% |
? 10% |
? 200 с. |
? 35 с. |
? 10 дБ |
? 30° |
По виду переходной характеристики можно сказать, что имеющиеся показатели качества не удовлетворяют заданным:
ь Время регулирования составляет (Setting time) 139 с.
ь Время нарастания (Rise time) - 69,3 с.
ь Статическая ошибка ( (1-0,225) *100%) - 77,5%
ь Максимальное перерегулирование (Overshoot) - 0%
Для нахождения частотных характеристик необходимо разомкнуть исходную систему.
По виду частотной характеристики можно сказать, что имеющиеся показатели качества не удовлетворяют заданным:
ь Запас устойчивости по амплитуде (Gain Margin) - 21 дБ
ь Запас устойчивости по фазе (Phase Margin) - inf.
По виду переходного процесса ясно, что для обеспечения заданных показателей качества и точности переходного процесса необходимо введение в систему линейного регулятора.
Необходимым условием надежной устойчивой работы АСР является правильный выбор типа регулятора и его настроек, гарантирующий требуемое качество регулирования. В зависимости от свойств объектов управления, определяемых его передаточной функцией и параметрами, и предполагаемого вида переходного процесса выбирается тип и настройка линейных регуляторов.
Основные области применения линейных регуляторов определяются с учетом следующих рекомендаций:
И - регулятор со статическим ОР - при медленных изменениях возмущений и малом времени запаздывания (ф/Т<0.1);
П - регулятор со статическим и астатическим ОР - при любой инерционности и времени запаздывания, определяемом соотношением ф/Т<0.1;
ПИ - регулятор - при любой инерционности и времени запаздывания ОР, определяемом соотношением ф/Т<1;
ПД - или ПИД-регуляторы при условии ф/Т<1 и малой колебательности исходных процессов.
Система с регулятором
В исходную систему вводим ПД-регулятор и для обеспечения заданных параметров находим его коэффициенты kp и kd.
Из графика видно, что ф=18, Т0=30, т.е. ф/ Т0=0.6<1. Исходя из выше изложенных рекомендаций и учитывая, что вид переходной характеристики напоминает колебательный процесс, видно, что в данную систему подойдет ПИД - регулятор. Определим Kp и Kd по формулам:
, Кd=Td, .
kp=0,6/0,6=1
Kd=0,2*18=3,6
Получим следующего вида САР для определения оптимальных параметров настройки ПД - регулятора:
Где Subsystem
Подбирая коэффициенты и анализируя параметры, остановимся на пропорционально-дифференциальном регуляторе, т.к. при нем система наиболее четко отвечает заданным требованиям.
Оптимальные значение ПД-регулятора:
kp = 6,87, kd=3,6, kg=0,76
Переходный процесс системы с регулятором
По виду переходной характеристики можно сказать, что имеющиеся показатели качества удовлетворяют заданным:
ь Время регулирования составляет (Setting time) 92,4 с.
ь Время нарастания (Rise time) - 24,7 с.
ь Статическая ошибка ( (1-0,986) *100%) - 1,4%
ь Максимальное перерегулирование (Overshoot) - 8,26%
Для нахождения частотных характеристик необходимо разомкнуть исходную систему.
Частотные характеристики системы с регулятором
По виду частотной характеристики можно сказать, что имеющиеся показатели качества не совсем удовлетворяют заданным, но система в целом устойчива, т.к. АФЧХ не охватывает точку (-1; 0):
ь Запас устойчивости по амплитуде (Gain Margin) - 4,85 дБ
ь Запас устойчивости по фазе (Phase Margin) - 86,4°
Прежде всего, под устойчивостью понимают свойство системы возвращаться к установившемуся состоянию после прекращения действия возмущения, которое вывело его из этого состояния. Устойчивость системы автоматического регулирования является необходимым условием их нормального действия. Если САР неустойчива, то это может привести к нарушению технологического процесса, выходу из строя оборудования и представлять опасность для жизни людей. Для обеспечения устойчивости регулятор должен так воздействовать на объект, чтобы отклонение регулируемой величины ликвидировалось. Выбранный мной регулятор ликвидирует это отклонение, а, следовательно, обеспечивает устойчивость системы.
Запас устойчивости по амплитуде обычно не регламентируется, но он должен быть примерно 5-15дБ. При таком запасе устойчивости изменения параметров системы, как правило, не приводят к потере ее устойчивости. Запас устойчивости по амплитуде полученный в размере 4,85 дБ не удовлетворяет заданному (?10 дБ), потому что в заданных параметрах переходного процесса невозможно добиться желаемого запаса устойчивости по амплитуде, но с учетом наибольшего приоритета остальных параметров можно принять полученный запас устойчивости как наиболее подходящий в данной ситуации.
...Подобные документы
Процесс приготовления резиновой смеси в резиносмесителе. Выбор регулируемых параметров и каналов внесения регулирующих воздействий. Обоснование выбора средств автоматизации. Описание работы выбранных систем автоматического контроля и регулирования.
контрольная работа [25,0 K], добавлен 27.07.2011Характеристика объекта автоматизации. Описание поточной линии для приготовления шоколадных масс. Анализ технологического процесса как объекта автоматизации и выбор контролируемых параметров. Выбор технических средств и описание схемы автоматизации.
курсовая работа [170,4 K], добавлен 09.05.2011Построение современных систем автоматизации технологических процессов. Перечень контролируемых и регулируемых параметров установки приготовления сиропа. Разработка функциональной схемы автоматизации. Технические характеристики объекта автоматизации.
курсовая работа [836,2 K], добавлен 23.09.2014Система автоматического регулирования процесса сушки доменного шлака в прямоточном сушильном барабане. Требования к автоматизированным системам контроля и управления. Обоснование выбора автоматического регулятора. Идентификация системы автоматизации.
курсовая работа [3,1 M], добавлен 26.12.2014Общая характеристика технологического процесса и задачи его автоматизации, выбор и обоснование параметров контроля и регулирования, технических средств автоматизации. Схемы контроля, регулирования и сигнализации расхода, температуры, уровня и давления.
курсовая работа [42,5 K], добавлен 21.06.2010Пути автоматизации производственных процессов целлюлозно-бумажных производств. Алгоритм работы сортирующего гидроразбивателя, в котором происходит сортировка макулатурной массы. Автоматизация роспуска макулатурной массы в сортирующем гидроразбивателе.
курсовая работа [224,1 K], добавлен 03.05.2017Анализ технологической схемы и выбор методов и средств автоматизации. Синтез системы автоматического регулирования температуры в сыродельной ванне. Обоснование структуры математической модели сыродельной ванны как объекта регулирования температуры.
курсовая работа [99,4 K], добавлен 02.02.2011Описание технологического процесса нагревания. Теплообменник как объект регулирования температуры. Задачи автоматизации технологического процесса. Развернутая и упрощенная функциональная схема, выбор технических средств автоматизации процесса нагревания.
курсовая работа [401,0 K], добавлен 03.11.2010Создание системы автоматического регулирования технологических процессов. Регулирование температуры при обработке железобетонных изделий. Схема контроля температуры в камере ямного типа. Аппаратура для измерения давлений. Расчет шнекового смесителя.
курсовая работа [554,1 K], добавлен 07.02.2016Строение теплообменных устройств с принудительной циркуляцией воды. Процесс автоматизации водогрейного котла КВ-ГМ-10: разработка системы автоматического контроля, регулирование температуры прямой воды, работа электрических схем импульсной сигнализации.
курсовая работа [973,2 K], добавлен 08.04.2011Краткое описание технологического процесса. Описание схемы автоматизации с обоснованием выбора приборов и технических средств. Сводная спецификация на выбранные приборы. Системы регулирования отдельных технологических параметров и процессов.
реферат [309,8 K], добавлен 09.02.2005Схема установки для приготовления сиропа, перечень контролируемых и регулируемых параметров. Материальный и тепловой баланс установки. Разработка функциональной схемы установки, выбор и обоснование средств автоматизации производственного процесса.
курсовая работа [264,2 K], добавлен 29.09.2014Схемы технологических процессов, обеспечивающих контроль и регулирование температуры жидкости и газа. Определение поведения объекта регулирования. Зависимость технологического параметра автоматизации от времени при действии на объект заданного возмущения.
контрольная работа [391,0 K], добавлен 18.11.2015Технология процесса производства и технико-экономическое обоснование автоматизации приготовления яблок по-киевски. Подбор контрольно-измерительных приборов и аппаратуры. Выбор щитов, компоновка приборов на щите. Безопасность при обслуживании оборудования.
курсовая работа [284,3 K], добавлен 05.04.2013Обоснование необходимости внедрения систем автоматического регулирования температуры травильной ванны. Расчет штата работающих, планового фонда заработной платы, сметной стоимости оборудования, себестоимости продукции. Основные виды систем автоматизации.
курсовая работа [939,2 K], добавлен 19.04.2013Схема автоматизации процесса сушки. Индикация, регистрация и регулирование разрежения в смесительной камере. Электропривод, магнитный пускатель. Описание системы контроля и регулирования, индикация температуры барабана. Спецификация средств автоматизации.
курсовая работа [173,3 K], добавлен 15.08.2012Автоматизация технологического процесса на ДНС. Выбор технических средств автоматизации нижнего уровня. Определение параметров модели объекта и выбор типа регулятора. Расчёт оптимальных настроек регулятора уровня. Управление задвижками и клапанами.
курсовая работа [473,6 K], добавлен 24.03.2015Описание технологической схемы производства исследуемой продукции. Выбор и обоснование параметров контроля, сигнализации и регулирования. Технические средства автоматизации. Описание функциональной схемы автоматизации, анализ и оценка ее эффективности.
контрольная работа [37,1 K], добавлен 12.08.2013Технологическое описание структурной схемы проекта по автоматизации процесса переработки предельных углеводородных газов. Изучение функциональной схемы автоматизации и обоснование выбора средств КИП установки. Математическая модель контура регулирования.
контрольная работа [67,1 K], добавлен 13.06.2012Анализ особенностей автоматического регулирования технологических процессов на предприятиях. Составление функциональной, структурной и принципиальной схем установки. Подбор датчиков температуры, концентрации, исполнительного механизма, клапанов, насоса.
курсовая работа [3,3 M], добавлен 08.11.2012
