Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Сибирский государственный университет науки и технологий

имени академика М.Ф. Решетнева»

Институт информатики и телекоммуникационных технологий

Кафедра автоматизации производственных процессов

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Проект автоматизации процесса очистки керосина

керосин регулирование автоматический технология

Руководитель: В.Р. Пен

подпись, дата, инициалы, фамилия

С.С. Бежитский

подпись, дата, инициалы, фамилия

Обучающийся: БАТЗУ 17-01, 01222050

С.А. Токмашов

подпись, дата, инициалы, фамилия

Красноярск 2020

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Сибирский государственный университет науки и технологий

имени академика М.Ф. Решетнева»

Институт информатики и телекоммуникационных технологий

Кафедра автоматизации производственных процессов

Учебная дисциплина: Автоматизация технологических процессов и производств

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект

Тема: «Проект автоматизации процесса очистки нефтепродуктов»

Студент: Токмашов С.А.

гр. БАТЗУ-1701

Дата выдачи: 2020 г.

Срок выполнения: 2020 г.

Руководитель: В.Р. Пен

С.С. Бежитский

Красноярск 2020

1 Исходные данные с производственной практики на АО «Русал Саянал»

2 Перечень нграфического материала:

- схема автоматизации функциональная;

- схема питания принципиальная;

- схема электрическая принципиальнаяподключения;

- схема соединения внешних проводок.

3 Перечень вопросов которые должны быть отражены в пояснительной записке:

- характеристика объекта автоматизации;

- обоснования выбора технических средств АСУ ТП;

- пояснения к графической части;

- спецификация оборудования, изделий и материалов.

4 Рекомендуемая литература:

- Проектирование автоматизированных систем [Электронный ресурс]: методические указания по выполнению курсового проектирования для направлений 27.03.04 «Управление в технических мимтемах», 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» очной и заочной форм обучения/М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «Сиб. гос. аэрокосм. ун-т им. М.Ф. Решетнёва»; сост. В.Ф. Тарченков - Авт. ред. изд.- Электрон. дан.- Красноярск: СибГАУ, 2016ю- 62с. https://library3knew/pdf/izdv/izdv_sibgtu/Tarchenkov_Proektirovanie_2016.pdf

- Проектирование систем автоматизации технологических процессов [Текст]: справочное пособие/ А.С. Клюев [и др.]. - изд.: Альянс, 2008. - 400с.

- Проектирование автоматизированных систем: конспект лекций. Составитель В.Ф. Тарченков - Красноярск: СибГТУ, 2008.-88с.



Аннотация

к курсовому проекту

«Проект автоматизации процесса очистки нефтепродуктов»

Токмашов Сергей Артурович

Ключевые слова: программируемый логический контроллер, АСУ ТП, контроль, ЦПУ, схема функциональная, регулирование, управление.

В курсовом проекте приведены результаты разработки схемы автоматического управления станции очистки керосина.

Внедрение распределенной автоматизированной системы управления процессом позволит повысить эффективность управления технологическим процессом за счет более высокой точности и быстродействия а так же повысит отказоустойчивость всей системы в целом. В качестве программируемого промышленного контролера был выбран S7-300 .

Внедрение данной системы позволит повысить эффективность ее работы, снизит затраты на обслуживание, уменьшит брак и повысит надежность всей системы в целом.

Курсовой проект содержит графическую часть на 1 листе формата А1, расчетно-пояснительную записку из 36 страниц текста, 4 таблиц, 11 рисунков, 10 литературных источника



Содержание

керосин регулирование автоматический технология

1. Описание и состав технологического процесса

1.1 Оборудование

1.2 Параметры процесса

1.3 Физико-химические основы технологического процесса

2.Описание режимов технологического процесса

2.1Режимы ПУСК - ОСТАНОВ

2.1.1 Режимы ПУСК - ОСТАНОВ

2.2 РАБОЧИЙ режим

2.3 АВАРИЙНЫЕ режимы

3. Анализ связей между переменными технологического процесса, как объекта управления. Целевая функция управления

3.1 Анализ координат объекта

4 Описание существующей системы управления, её состав

5. Анализ недостатков существующей системы управления

5.1 Недостатки существующей СУ в режиме ПУСК-ОСТАНОВ

5.2 Недостатки существующей СУ в режиме РАБОЧЕМ

5.3 Недостатки существующей СУ в режиме АВАРИЙНОМ

6. Техническое задание на модернизацию системы управления

7 Расчётная часть

7.1 Модель регулирования расхода

7.1.2 Моделирование системы автоматического регулирования уровня керосина в резервуаре накопителе ПОЗ

7.1.3 Составление математической логической аналитической модели системы автоматического управления уровня масла в резервуаре

7.1.4 Инструментальная модель системы автоматического регулирования уровня керосина

7.2 Исследование модели

7.2.1 Метод оптимизации П регулятора с переходом по первому улучшению

7.2.2 Метод оптимизации ПИД регулятора с переходом по первому улучшению

7.3 Обсуждение результатов моделирования

Библиографический список



1. Описание и состав технологического процесса

1.1 Оборудование

Таблица 1.1 Оборудование

Наименование оборудования Целевая функция	Количество	Производитель	Характеристики и свойства
1	2	3	4
1Датчик уровня
1.1 Датчик регулировки уровня в накопительной емкости поз.2	1	SITRANS Probe LU (0…6 м)	0-1200 mm, 4-20mA
1.2 Датчик регулировки уровня в накопителе дистиллята поз.3	1	SITRANS Probe LU (0…6 м)	0-600 mm, 4-20mA
1.3 Датчик регулировки уровня в ректификационной колонне поз.4	1	SITRANS Probe LU (0…6 м)	0-1000 mm, 4-20mA
2Измерение температуры
2.1 Температура в накопительной емкости поз.2	1	ТСПУ Метран-276-02-100-0,5-Н10	(0…400)oC-4-20mA
2.2 Температура в накопителе дистиллята поз.3	1	ТСПУ Метран-276-02-100-0,5-Н10	(0…400)oC-4-20mA
2.3 Температура в ректификационной колонне поз.4 (регулирование)	1	ТСПУ Метран-276-02-100-0,5-Н10	(0…400)oC-4-20mA
3 Датчик давления
3.1 Контроль загрязнения фильтров	3	Метран 150 TG3-2-2-1-1-L3-A	(0…6 МПа)
3.2 Контроль давления-разряжения в накопителе дистиллята поз.3, ректификационной колонне поз.4, (регулирование)	2	Метран 75GTG3-2-2-1-1- L3-A	(-100…0.1 кПа)
3.3 Контроль давления в трубопроводах	2	Метран 150 TG3-2-2-1-1-L3-A	(0…6 МПа)
1	2	3	4
4. Исполнительный механизм
4.1 Подача грязного керосина в накопительную емкость	1	РУСТ 510-1 У МИМ 250-112-153-032 ТУ 51-0303-5-95
4.2 Регулирование давления в накопителе дистиллята поз.3, ректификационной колонне поз.4,	2	РУСТ 510-1 У МИМ 250-112-153-032 ТУ 51-0303-5-95
4.3 Переключение используемых фильтров	4	РУСТ 510-1 У МИМ 250-112-153-032 ТУ 51-0303-5-95
4.4Подача на орошение/слив дистилята	3	РУСТ 510-1 У МИМ 250-112-153-032 ТУ 51-0303-5-95
4.5Подача грязного керосина на дистилляцию	1	РУСТ 510-1 У МИМ 250-112-153-032 ТУ 51-0303-5-95
4.6 Подача дистиллята хранение	1	РУСТ 510-1 У МИМ 250-112-153-032 ТУ 51-0303-5-95
4.7 Подача в хранилище отходов	1	РУСТ 510-1 У МИМ 250-112-153-032 ТУ 51-0303-5-95
4.8 Подача охлаждающей воды	2	РУСТ 510-1 У МИМ 250-112-153-032 ТУ 51-0303-5-95
5.Уравнительный резервуар Подготовка грязного керосина для очистки	1		объём 1500 литр.
5. Патронные фильтры
5.1- фильтрация керосина (сдерживание твёрдых загрязнений до 10 мкм);	2		сдерживание твёрдых загрязнений до 10мкм
5.2- водоотделение (отделяет случайно попавшую в керосин воду)	2		Отделение воды
6. Трубопровод	2
6.1 - транспортировка грязного керосина			Dу = 20мм, Р=0,07 кгс/см2
6.2 - транспортировка дестиллята			Dу = 20мм, Р=0,07 кгс/см2
6.3-воздух/вакуумирование			Dу = 40мм,Dу = 25мм Р=0,07 кгс/см2
6.4Вода охлаждающая	2		Dу = 25ммР=0,07 кгс/см2

1	2	3	4
7.Насосы
7.1 Вакуумированиенакопителя дистиллята, ректификационной колонны	1	''TRAVAINI'' двигатель - ASEA	Производительность - 70 Ном-ая мощность -2,5 380/3/50
7.2 Насос нижней части колонны -извлечение/рециркулирование керосина в колонне	1	''TRAVAINI'' двигатель - ASEA	Производ-сть - 4,5 Ном-ая мощность -2,2 380/3/50
7.3 Извлечение дистиллята из резервуара, и подача на орошение колонны	1	''TRAVAINI'' двигатель - ASEA	Производительность - 2 Ном-ая мощность - 1,5 380/3/50
7.4 Питающий - фильтры/колонна - перекачивание жидкости (керосин + добавки)P-101	1	''TRAVAINI'' двигатель - ASEA	Производительность - 0,3 Ном-ая мощность - 0.75 380/3/50
8.Перегонная колонна с пластинами (тарелками) с отверстиями - регенерация продукта в условиях вакуума (около 50 мм.рт. столба) при температуре 170-190oC	1	Фирма - ''FATA''-''NEVHUNTERENGINEERING''	Материал - Ст 3 Вес -1050кг, размеры -2,725
9.Резервуар-накопитель дистиллята	1	Фирма - ''FATA''-''NEVHUNTERENGINEERING''	Материал - Ст 3 Вес -257кг, размеры -0,85
11.Конденсатор/подогреватель первичный	2		Кожухотрубный
12. Конденсатор/охладитель всасывание вакуумного насоса-охолождение воздуха для работы вакуумного насоса	1		Кожухотрубный
14.Охладитель дистиллята охлаждение готового продукта S13 до безопасной температуры	2		Кожухотрубный



1.2 Параметры процесса

Таблица 1.2 Параметры процесса

Наименование параметра	Диапазон	Среда	Место контроля или отбора
1	2	3	4
1.Уравнительный резервуар
Температура в резервуаре Уровень	20 -50 С0 500-1000мм	Жидкость Жидкость	в резервуаре в резервуаре
2.Патронный фильтр высокой
Давление потока	Давление потока равно 0,1 МПа	Жидкость	До и после фильтра
Фильтр коалисценции
Давление потока	Давление потока равно 0,1 МПа	Жидкость	До и после фильтра
Насос питающий
расход	4,5	Жидкость	Трубопровод подачи керосина
5. Перегонная колонна
Температура в резервуаре Давление Уровень	155-165 С0 55мм рт.ст. 1200-700мм	Жидкость Пар Жидкость	в резервуаре в резервуаре в резервуаре
6.Резервуар-накопитель
Температура в резервуаре Давление Уровень	50-100 0С 55мм рт.ст. 1000-500мм	Жидкость Пар Жидкость	в резервуаре в резервуаре в резервуаре
7.Конденсатор/подогреватель первичный
Температура	170-190 0С	пар	Трубопровод вакуумирования
8. Конденсатор/охладитель всасывание вакуумного насоса
Температура	20 - 500С	Жидкость	Трубопровод вакуумирования
9. Охладитель дистиллята
Температура на выходе	20 - 500С	Жидкость	Выход
10.Охладитель откачиваемого продукта
Температура на выходе	20 - 50 0С	Жидкость	Выход теплообменника
11.Насос подачи керосина + добавки
Производительность	1	Жидкость	Трубопровод подачи керосина + добавки
11.Насос дистиллята
Производительность	2	Жидкость	Трубопровод дистиллята
12.Насос нижней части колонны
Производительность	4,5	Жидкость	Трубопровод нижней части колонны керосина + добавки
13. Насос вакуумный водокольцевого типа в комплекте с отделителем
Производительность	70	Воздух +пары керосина	Трубопровод дистиллята

1.3 Физико-химические основы технологического процесса

Процесс дистилляции (перегонки) основан на принципе разделения углеводородов, входящих в состав смазки, на фракции при прохождении через ректификационную колонну.

Оборудование, имеющееся на предприятии, даёт возможность проводить технологический процесс дистилляции в вакууме, без применения высоких температур, при которых снижаются эксплуатационные свойства продукта.

Ректификационная колонна обеспечивает осуществление дистилляции в условиях вакуума от 35 до 60 мм рт. ст. при рабочей температуре процесса от 170 єС до90 єС. Вакуумирование ректификационной колонны поз.4 осуществляется насосом поз.1. Рабочая температура поддерживается при помощи нагревательных элементов 17-3, расположенных в нижней части донного резервуара поз.4.

Керосин поступает от резервуаров прокатных станов на накопление в резервуар S-3(на схеме не указан) и, далее, в резервуар поз.2, откуда с помощью насоса поз.5 перекачивается и направляется в секцию фильтрации.

В секции фильтрации расположены две группы фильтров разного типа и назначения:

а) фильтры патронного типа, удерживающие частицы размером до 10 мкм;

б) фильтры водоотделения.

Для удобства в работе и соблюдения условия надежности, каждая группа состоит из двух фильтров тонкой очистки и двух фильтров водоотделения, соединенных параллельно. После фильтрования, керосин подаётся в ректификационную колонну через первичный подогреватель. В первичном подогревателе/охладителекеросин разогревается за счет теплообмена сквозь стенку в подогревателе горячими парами керосина, которые поступают из верхней части ректификационной колонны. После прохождения черезподогреватель/охладитель, пары дистилляции поступают в резервуар-накопитель дистиллята поз.3, а затем в конденсатор-охладитель, где происходит конденсация образовавшихся паров.

Фракция С-13, полученная в результате конденсации образовавшихся в ректификационной колонне паров, накапливается в резервуаре-накопителе дистиллята поз.3. Из резервуара-накопителя дистиллята поз.3 фракция С-13, с помощью насоса поз.6, направляется частично на орошение в верхнюю часть ректификационной колонны, а остальная часть, через охлаждение в теплообменнике - в резервуар S-2(на схеме не указан).

Фракция С-14, которая образуется в результате выделения из состава керосина+загрязнения основной углеводородной фракции С-13, накапливается в ректификационной колоннепоз.4, откуда откачивается с помощью насоса поз.7 и, через теплообменник, направляется в резервуар S-4(на схеме не указан).

Высококипящие углеводородные фракции, которые не перегоняются при заданных параметрах дистилляции, являются остатком после дистилляции.

Фактическая производительность установки для дистилляции составляет от 250 до 400м³/ч, или от 8 до 10 м³ в сутки.



2.Описание режимов технологического процесса

2.1 Режимы ПУСК - ОСТАНОВ

Пуск технологического процесса отчистки керосина осуществляется в следующей последовательности:

2.1.2 Режимы ПУСК - ОСТАНОВ

Пуск технологического процесса отчистки керосина осуществляется в следующей последовательности:

1. Подать электропитание к шкафу, замкнув общий рубильник.

2. Открыть общие питающие клапаны и клапаны охлаждающей воды.

3. Открыть общий питающий клапан приборного воздуха.

4. Проконтролировать, что все приборы запитаны как питающим воздухом (продувка фильтров редукторов), так и электроэнергией (включение сигнализации).

5. Перекрыть дренажный клапан днища поз.2, перекрыть всасывающий клапан устройства 5-3.

6. Перекрыть все впускные и выпускные клапаны фильтров и водных сепараторов.

7. Открыть клапаны 7-2(а/б), 8-2, 9-2(а/б) (вход/выход фильтров и сепараторов керосина).

8. Закрыть клапан 10-4.

9. Заполнить до уровня резервуар поз.2 загрязненным керосином, включив один из насосов P-4A/B (на схеме не указаны) подачи грязного керосина из резервуара S-3 . После этого насос будет работать в автоматическом режиме по сигналам с датчика уровня в резервуаре. Проконтролировать работу 3-1.

Примечание: если производится пуск установки при пустых резервуарах, то следует сначала загрузить около 400 литров чистого керосина в резервуар поз. 3. Заливка производится через люк находящийся наверху резервуара поз. 3.

10. Последовательно открываются клапаны, контролируя при каждом шаге вероятные аномалии: всасывающий 3-2, впускной и выпускной фильтров 7-2(а/б), 8-2, 9-2(а/б), выпускной 11-4.

11. Закрыть клапан на линии « складирование остатков от дистилляции » 20-2.

12. Включить насос поз.5 и плавно открывая клапан 10-4 заполнить до требуемого уровня ректификационную колонну поз. 4 контролируя работу 13-1.

13. После появления минимального уровня в ректификационной колонне включить циркуляционный насос поз.7.

14. После набора заданного уровня устройства поз. 4, остановить питающий насос поз. 5.

а) заполнить до требуемого уровня сепаратор насоса поз.1 открыв клапан подачи воды;

б) открыть впускной 18-2 и выпускной 19-2 клапаны охлаждающей воды к теплообменнику, клапан 22-2 устройства поз.1;

17. Запустить устройство поз.1, поддерживать требуемое давление в системе клапаном 12-2.

18. Контролируя уровень остатка в ректификационной колонне поз.4 датчиком 13-1 включить питание нагревателей 17-3, предварительно установив температуру процесса.

19. Во время вакуумирования поддерживать уровень устройств поз.4 постоянным управляя клапаном 10-4 и работой насоса поз.5.

20. Если условия, изложенные в предыдущем пункте, достигнуты, и более или менее постоянны, то отключаем насос поз. 5, закрываем клапан 11-4. Запускаем насос поз. 6 и управляя клапаном 11-4 устанавливаем величину противотока в верхней части устройств поз. 4 таким образом, чтобы уровень в устройстве поз. 3 оставался почти постоянным (в этом случае устройство поз. 4 доводится до полного противотока).

21. После достижения оптимального условия дистилляции включаем насос поз.5, устанавливаем подачу загрязнённого керосина (10-4) на нужное значение, а также настраиваем противоток (11-4) согласно необходимому количеству.

22. Для передачи на складирование чистого керосина, открыть клапан 16-2, и клапан 21-2, потом установить 16-2 в автоматический режим и установить задание регулирования.

23. Для складирования донного остатка установки поз.4, нужно открыть клапан 20-2.

24. Во время процесса следует контролировать значения давления по 7-2(а/б), 8-2, 9-2(а/б), установленных перед и после фильтров и сепараторов воды. Разность давления 7-2(а/б) - 8-2 > 0.3 bar означает засорение фильтра тонкой очистки. Разность давления 8-2 - 9-2(а/б) > 0.3 bar означает засорение фильтра водоотделения.

Останов технологического процесса отчистки керосина осуществляется в следующей последовательности:

1. Выключить нагрев установки поз. 4 выключив устройство 17-3.

2. Закрыть клапан 11-4 (таким образом, останавливаем противоток в устройстве поз. 4)

3. Останавливаем насос поз.5 и закрываем клапан 10-4 ( прекращаем подачу загрязнённого керосина ).

4. Когда температура в установки поз.4 начнёт опускаться, останавливаем вакуумный насос поз.1 и открываем клапан 5-3 в максимальное значение.

5. Если требуется опорожнить установку поз.4 то нужно включить насос поз.7, в противном случае необходимо отключить насос поз.7 и перекрыть клапан20-2, установленный на линии складирования остатков от дистилляции.

6. Перекрыть все клапаны водяного контура.

7. Перекрыть клапаны питания приборов управления.

8. Продуть (слить) и отчистить сепараторы воды и фильтры, установленные на линии грязного керосина.

9. Перекрыть подачу воздуха к приборам.

10. Отключить электропитание установки.

2.2 РАБОЧИЙ режим

В рабочем режиме оператор следит за процессом и при необходимости может его изменять меняя задание.

2.3 АВАРИЙНЫЕ режимы

при отключении энергоснабжения проверить состояние исполнительных механизмов - 14-4,13-3 открыты,7-4 закрыт

при отключение подачи воздуха управления проверить состояние исполнительных механизмов - 14-4,13-3 открыты, 7-4 закрыт, отключить питание установки.

при отключение охлаждающей воды проверить состояние исполнительных механизмов - 16-2,20-2 открыты, 6-3 закрыт, отключить питание установки.

Рисунок 1- Блок-схема технологического процесса



3. Анализ связей между переменными технологического процесса, как объекта управления. целевая функция управления

3.1 Анализ координат объекта

Таблица 3.1 Анализ координат объекта

Входные переменные	Выходные переменные Целевая функция
Наименование переменных	Автоматически контролируемые	Возможные управляющие воздействия	С возможностью стабилизации	Наименование	Автоматически контролируемые
1	2	3	4	5	6
1. Уравнительный резервуар
1.1 Контроль уровня в резервуаре 1.2 Измерение температуры керосина в резервуаре	+ -	+ -	- -	уровнь в резервуаре температурыа керосина в резервуаре	+ -
2.Патронные фильтры
2.1- фильтрация керосина (сдерживание твёрдых загрязнений до 1мкм); 2.2- водоотделение (отделяет случайно попавшую в керосин воду) - - - - - - фильтация керосина - -
3. Трубопровод подачи грязного керосина
3.1 - транспортировка продкукта	-	-	-		-
4.Насос питающий - фильтры/колонна
4.1 - перекачивание жидкости (керосин + добавки)	-	-	-		-
5.Перегонная колонна с пластинами (тарелками) с отверстиями
5.1 - уровень 5.2 - температура 5.3- давление	+ + +	+ + +	+ + +		+ + +
6. Трубопровод подачи дистилята
6.1 - расход	+	+	+		+
7.Резервуар-накопитель дистиллята (ёмкостью - 800 литр.)
7.1 - уровень 7.2 - температура 7.3- давление	+ - +	+ - +	+ - +		+ - +
8.Конденсатор/подогреватель первичный (кожухотрубного типа)
8.1 - предварительный разогрев продукта. 8.2 - охлаждение готового продукта	- -	- -	- -		- -
9.Конденсатор/охладитель всасывание вакуумного насоса
9.1 - охолождение воздуха для работы вакуумного насоса	+	-	-		-
10.Охладитель дистиллята
10.1 - охолождение готового продукта 10.2 охолождение готового продукта	- -	- -	- -		- -
11. Трубопровод подачи дистилята
11.1 - расход	+	+	+		+
12.Насос дистиллята
12.1 - извлечение дистиллята из резервуара, и подача на орошение колонны	+	+	-		+
13.Насос нижней части колонны
13.1 -извлечение/рециркулирование керосина в колонне	+	+	+		+
14. Трубопровод вакуумирования
14.1 - давление 14-2 - температура	+ +	+ -	+ -		+ -
15.Насос вакуумный водокольцевого типа в комплекте с отделителем
15.1- вакуумирование перегонной колонны	+	-	-		-



4 Описание существующей системы управления, ее состав

Таблица 4.1Состав существующей системы управления с учетом модернизации

Переменные	Контроль	Сигнализация	Регулирование	Защита-блокировка	Дистанционное управление
	Автом.	Ручн.	Автом.	Ручн.	Автом.	Ручн.	Автом.	Ручн.	Автом.	Ручн
1. Уравнительный резервуар
1.температура 2.уровень	- +	- +	- +	- -	- +	- +	- +	- +	- +	- +
2.Патронные фильтры
1. давление	-(+)	+	-(+)	-(+)	-(+)	-(+)	-(+)	-(+)	-(+)	-(+)
3. Трубопровод подачи грязного керосина
1.расход	+	+	-(+)	-	+	+	+	+	+	+
4.Насос питающий - фильтры/колонна
4.1 - перекачивание жидкости	-(+)	+	-(+)	-	-	-	+	-	-	+
5.Перегонная колонна с пластинами (тарелками) с отверстиями
5.1 - уровень 5.2 - температура 5.3- давление	+ + +	+ + +	-(+) + -(+)	- - -	+ + +	+ + +	+ - +	+ - -	+ + +	+ + +
6. Трубопровод подачи дистилята
6.1 - расход	+	+	-(+)	-	+	+	-	-	+	+
7.Резервуар-накопитель дистиллята
7.1 - уровень 7.2 - температура 7.3- давление	+ - +	+ - +	-(+) - +	-(+) - +	+ - +	- - +	+ - +	+ - +	+ - +	+ - +
8.Конденсатор/подогреватель первичный (кожухотрубного типа)
8.1 - предварительный разогрев продукта. 8.2 - охлаждение готового продукта	- -	- -	- -	- -	- -	- -	- -	- -	- -	- -
9.Конденсатор/охладитель всасывание вакуумного насоса
9.1 - охолождение воздуха для работы вакуумного насоса	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
10.Охладитель дистиллята
10.1 - охолождение готового продукта 10.2 охолождение готового продукта	- -	- -	- -	- -	- -	- -	- -	- -	- -	- -
11. Трубопровод подачи дистилята
11.1 - расход	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
12.Насос дистиллята
12.1 - извлечение дистиллята из резервуара, и подача на орошение колонны	+	+	-(+)	+	+	+	+	+	+	+
13.Насос нижней части колонны
13.1- двигатель	+	+	-	-	-	-	(+)	+	-	-
14. Трубопровод вакуумирования
14.1 - давление 14-2 - температура	- -	- -	- --	- --	- -	- --	- -	- -	- -	- -
15.Насос вакуумный водокольцевого типа в комплекте с отделителем
15.1- двигатель 15.2 - уровень воды	-(+) -	+ -(+)	- -	- -	+ -	+ -	+ -	+ -	+ -	+ +

знаком + отмечены существующие контура автоматики

знаком (+) отмечены предлагаемые контура в процессе модернизации



5. Анализ недостатков существующей системы управления

5.1 Недостатки существующей СУ в режиме ПУСК-ОСТАНОВ

Необходимо контролировать чистоту фильтров тонкой очистки и водоотделения.

Нет автоматического контроля за работой двигателей насосов и нагревателей

Необходимость ручного контроля открытия/закрытия исполнительных устройств перед пуском и после остановки.

Поэтапное ручное включение агрегатов установки

5.2 Недостатки существующей СУ в режиме РАБОЧЕМ

Необходимо контролировать чистоту фильтров тонкой очистки водоотделения.

визуальный контроль наличия потока

нет сигнализации минимального уровня в баке 3

5.3 Недостатки существующей СУ в режиме АВАРИЙНОМ

При авариях производится поэтапная остановка технологического оборудования по причине отсутствия автоматических блокировок на трубопроводах



6. Техническое задание на модернизацию системы управления:

В результате анализа объекта выявлены такие проблемы:

-отсутствие автоматического пуска/останова процесса;

-нет автоматического контроля за чистотой фильтров.



7 Расчетная часть

7.1 Модель регулирования расхода

7.1.2 Моделирование системы автоматического регулирования уровня керосина в резервуаре накопителе поз.2

Таблица 7.1 - Исходные данные

Наименование	Обозначение	Значение
Объем резервуара	V	2.545м3
Высота	Н	1,25 м
Диаметр подводящей трубы	d1	0,2 м
Диаметр отводящей трубы	d2	0,2 м
Давление на входе	p1н	100000 Па
Давление на выходе	P2н	50000 Па
Коэффициент истечения для крана на входе	м1ном	0,3
Коэффициент истечения для крана на выходе	м2ном	0,7

Имеем резервуар, задача которого заключается в накоплении керосина +добавки для последующей дистилляции. Резервуар снабжен автоматической системой регулирования уровня. Регулирование производится «по рассогласованию». Регулируется подача жидкости в резервуар «на притоке».

В качестве исполнительного устройства используется пневматический исполнительный механизм.

Содержательное описание объекта регулирования

Объект регулирования - резервуар накопитель.

Рабочее тело - керосин+добавки.

Регулируемый параметр - уровень керосина в резервуаре (1м).

Удельный вес г = 8170, [Н/м3].

Содержательное описание датчика уровня

Датчик уровня с унифицированным выходом (формирует на выходе токовый сигнал 4-20мА, пропорциональный уровню в резервуаре).

Содержательное описание регулятора

Регулятор представляет собой типовой электрический ПИД-регулятор на вход которого поступает сигнал рассогласования, сформированный элементом сравнения «ЭС», как разность сигналов датчика и задатчика, а на его выходе формируется управляющий сигнал в границах 4-20мА.

7.1.3 Составление математической логической аналитической модели системы автоматического управления уровня масла в резервуаре

Модель объекта регулирования

Резервуар представляет собой «одноемкостной объект» и может быть описан дифференциальным уравнением первого порядка вида:

. (7.1)

где Та - время разгона объекта;

Fд - коэффициент самовыравнивания объекта;

ц - относительная величина регулируемого параметра;

л - относительная величина возмущающего воздействия.

Для составления аналитической модели, мы должны связать параметры дифференциального уравнения: время разгона объекта и коэффициент самовыравнивания с физическими параметрами объекта.

Определим время разгона объекта.

Решение задачи начнем с того, что определим высоту столба жидкости над дном резервуара H0.

Запишем уравнение баланса в значениях расхода жидкости через краны на притоке Q_пр.ном и оттоке Q_от.ном при номинальных значениях м.

. (7.2)

где Z₀ - уровень жидкости в рассматриваемой гидравлической системе (с учетом противодавления Р₂,_нна выходе из резервуара).

Рассчитаем численные значения коэффициентов данного уравнения для установившегося режима работы:

м²;

м²;

;

м.

м.

С учетом вычисленных значений коэффициентов балансовое уравнение примет вид:

Разрешив последнее уравнение относительно Z₀, получим:

Z₀=8.08 м.

При этом расход жидкости Q0, будет равен:

Q₀=0,07 м³/с.

Высота столба жидкости над дном резервуара H₀ будет равна разности между вычисленным значением уровня Z₀ и высотой столба жидкости Z_P2,н, эквивалентного давлению подпора р_2,н на линии:

(7.3)

м;

(7.4)

м.

Аккумулированный в резервуаре объем жидкости равен:

м³

Время разгона для объекта равно:

(7.5)

с.

Определим коэффициенты самовыравнивания на стороне притока жидкости и ее оттока.

Перепишем уравнения притока и оттока жидкости, выразив значение уровня жидкости в гидравлической системе в установившемся состоянии Z₀ через высоту столба жидкости над дном резервуара H (Z₀ = H₀ +0,571):

(7.6)

(7.7)

Подставив значения fтр1, fтр2, м1, м2, г, и g в формулы получим:

Откуда найдем значения коэффициентов самовыравнивания на стороне прихода и оттока жидкости.

Из полученного определим коэффициент самовыравнивания объекта, который будет равен:

(7.8)

Дифференциальное уравнение, описывающее объект, будет иметь вид:

(7.9)

(7.10)

где л(t) - относительное возмущение (в долях номинальных значений возмущающих сигналов);

ц(t) - относительное отклонение

.

При сформированном на выходе модели объекта управления относительном отклонении ц(t) текущее значения уровня жидкости в резервуаре будет равно:

(7.11)

Аналитическое решение дифференциального уравнения будет иметь вид:

(7.12)

Приведем уравнение к канонической форме записи для чего разделим обе части уравнения на Fд.

(7.13)

Вычислим постоянную времени объекта и коэффициент усилен

(7.14)

c;

(7.15)

.

Тогда для объекта можно записать:

С учетом полученного, передаточная функция объекта управления будет иметь вид:

Математическая модель датчика уровня

(Н > h_ВЫХ), где H - высота жидкости над дном резервуара, м;

h_ВЫХ - сигнал датчика, мА.

На объекте использован датчик уровня, передаточная функция которого имеет вид:

. (7.16)

Согласно диапазону изменения токового сигнала 4-20 мА и изменению диапазона измерения уровня данного датчика от 0 до 3 м, коэффициент преобразования сигнала датчика k_дат = 16/3=7.111мА/м.

Математическая модель элемента сравнения

(() > Д),

где - сигнал задатчика, мА;

Д - сигнал рассогласования, мА.

Передаточная функция звена будет иметь вид:

(7.17)

Математическая модель регулятора

(Д > u), где u - сигнал управления, мА.

В модели будем использовать ПИД-регулятор математическая модель которого, имеет вид:

(7.18)

Математическая модель электропневмопреобразователя

(u > P). В качестве устройства преобразования электрического сигнала от ПИД регулятора в пневматический сигнал для исполнительного устройства используется электропневмопреобразователь с диапазоном изменения входного электрического сигнала 4-20 мА, давление воздуха питания 0,16 МПа.

Согласно диапазону изменения токового сигнала 4-20 мА и диапазона преобразования в давление от 0 до 0,16 МПа, коэффициент преобразования сигнала

kэпп ==10000.

Математическая модель исполнительного устройства

(P > X_ШТ.1). В качестве исполнительного устройства применим пневматический мембранный исполнительный механизм (МИМ) с противодействующей пружиной. Многочисленные натурные исследования мембранно-пружинного исполнительных механизмов показали, что действительно он может быть представлен одноемкостным звеном с постоянной времениТ равной 0,13, 0,3, 0,67, 1,7 секунды соответственно для исполнительных устройств Dу = 50, 80, 150 и 250 мм.

(7.19)

.

где - жесткость пружины МИМ, Н/м

Н/м

- жесткость мембраны, Н/м.

=20000 Н/м

S - активная площадь мембраны, м²;

тогда

Математическая модель исполнительного устройства в целом имеет вид:

(7.20)

Математическая модель вентиля

(Х_ШТ.1 > м), где м - коэффициент открытия вентиля:

(7.21)

Полагая, что полное перемещение штока вентиля равно половине диаметра условного прохода трубы, рассчитаем значение коэффициентов передачи для кранов на притоке и оттоке.

В соответствии с заданием на притоке Dу = 0,2 и м_max = 1 тогда для крана на притоке k_Х1 = м_max / Dу/2 = 10.

В соответствии с заданием на оттоке Dу = 0,2 и м_max = 1 тогда для крана на оттоке

k_Х2 = м_max / Dу /2 =10.

Математическая модель звена формирования возмущений

(м > л), где л - возмущающее воздействие.

Возмущающим воздействием для объекта регулирования (см. выше) является л(t) - относительное возмущение (в долях номинальных значений возмущающих сигналов),

(7.22)

7.1.4 Инструментальная модель системы автоматического регулирования уровня керосина

Представим четыре модели в виде подсистем: модель объекта регулирования, модель формирователя возмущений, модель исполнительного устройства и модель регулятора.

7.1.4.1 Инструментальная модель объекта регулирования

Рисунок 2 - Инструментальная модель объекта регулирования



7.1.4.2 Инструментальная модель формирователя возмущений

Рисунок 3 - Инструментальная модель формирователя возмущений.

7.1.4.3 Инструментальная модель исполнительного устройства

Рисунок 4 - Инструментальная модель исполнительного устройства



7.1.4.4 Инструментальная модель регулятора

Рисунок 5 - Инструментальная модель регулятора

7.1.4.5 Общая схема инструментальной модели, системы автоматического регулирования уровня жидкости в открытой ёмкости.

Общая схема системы автоматического регулирования уровнем жидкости в емкости имеет вид:

Рисунок 6 - Инструментальная модель системы автоматического регулирования уровня жидкости.



7.2 Исследование модели

Исследование модели заключается в проведение расчётов настройки разных регуляторов (П, ПИ, ПИД), проведением оценки работы регуляторов, выбрать лучший.

Чтобы приступить к оптимизации необходимо найти начальные удовлетворительные настройки регулятора.

Удовлетворительными (или допустимыми) настройками регулятора являются настройки, при которых время регулирования составляет не более 2-3Т (где Т - постоянная времени объекта регулирования), а величина перерегулирования составляет не более 30%. Нужно учитывать, чтобы перерегулирование не приводило к "нереальным" графикам (например, когда высота емкости 2.25 м, а Нmax на графике переходного процесса более 2.25).

После того, как допустимые удовлетворительные настройки найдены необходимо, осуществить процесс оптимизации данных настроек.

Процесс оптимизации представляет собой целенаправленный перебор (поиск) параметров с целью достижения экстремума целевой функции. Целевой функцией в ТАУ может служить один из критериев качества регулирования технологических параметров, при этом остальные критерии качества могут учитываться в качестве ограничений.

Задача оптимизации САР выявлена следующая:

,

при условии , при дополнительном условии

Таким образом, необходимо найти настройки регулятора P, I и D при которых, время регулирования T минимально, при этом значение перерегулирования не более 30 %, а также высота H_max не должна превышать значения 2.25 [м].

7.2.1 Метод оптимизации П регулятора с переходом по первому улучшению.

Для оптимизации П регулятора с переходом по первому улучшению нашли Pкр = 24,1. Рассчитали допустимые начальные параметры для оптимизации (P=13.255). Затем установили значения шага поиска по каждому параметру от начальных значений параметров (по каждому направлению), то есть Sh_P=0.01.

В данном примере САР, допустимыми настройками П регулятора являются настройки, приведенные в таблице 7.2.

Таблица 7.2 - Результаты определения допустимых параметров регулятора

P	Hмакс	Время регулирования, t	Перерегулирование, %
13.255	2.159	117.45	7,95
14.255	2.163	136.9	8,15
12.255	2.153	108.73	7,65
11.255	2.148	99.74	7,4
10.255	2.142	90.48	7,1
9.255	2.136	80.72	6,8
8.255	2.129	83.54	6,45

Рисунок 7 - График процесса при настройке P-регулятора: P=13.255.

Рисунок 8 - График процесса при настройке P-регулятора: P=9.255. Наилучшая найденная точка

7.2.2 Метод оптимизации ПИ регулятора с переходом по первому улучшению

Для оптимизации ПИ регулятора с переходом по первому улучшению нашли Pкр = 24,1. Рассчитали допустимые начальные параметры для оптимизации (P=10,845; I=0.685 ). Затем установили значения шага поиска по каждому параметру от начальных значений параметров (по каждому направлению), то есть Sh_P=1; Sh_I=0.1.

В данном примере САР, допустимыми настройками ПИ регулятора являются настройки, приведенные в таблице 7.3.

Таблица 7.3 - Результаты определения допустимых параметров регулятора

P	I	Hмакс	Время регулирования, t	Перерегулирование, %
10.845	0.685	-	Перерегулир-е	-
9,845	0.685	-	Перерегулир-е	-
10.845	0.585	-	Перерегулир-е	-
11,255	0.685	-	Перерегулир-е	-
11.845	0.585	-	Перерегулир-е	-

Рисунок 9 - График процесса при настройке PI-регулятора: P=13.845, I=0.685.

7.2.2 Метод оптимизации ПИД регулятора с переходом по первому улучшению.

Для оптимизации ПИ регулятора с переходом по первому улучшению нашли Pкр = 24,1. Рассчитали допустимые начальные...