Автоматизация процесса подогрева воды на участке гашения извести цеха №38 АВИСМА

РЕАЛИЗАЦИЯ САР.cdw

фактическое значение
Отделение по приготовлению
Корректирующий регулятор
Стабилизирующий регулятор
Рисунок №23 Блок схема CONT_C

КУРСОВОЙ по АТП.doc

Министерство образования и науки РФ
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
Березниковский филиал
Кафедра Автоматизация технологических процессов
по курсу «АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ»
Описание технологического процесса гашения извести . .. ..4
1 получение известкового молока ..4
2 Описание технологической схемы 5
Общая характеристика выбранного объекта регулирования .7
Анализ объекта регулирования с точки зрения
действующих возмущений ..9
Обоснование и выбор точек и параметров контроля
технологического процесса 10
1. Обоснование точек контроля температуры .10
2. Обоснование точек контроля расхода ..11
3. Обоснование точек контроля давления 11
4. Обоснование точек контроля уровня 12
5. Обоснование точек контроля наличия пламени ..13
Обоснование и выбор контуров регулирования типа регуляторов .13
Обоснование параметров подлежащих сигнализации и блокировке 14
Проведение активного эксперимента. Получение динамических характеристик 15
Обоснование и выбор системы автоматизации
технологического процесса
Расчет одноконтурной системы регулирования .
Расчет каскадной системы регулирования
Моделирование и получение динамических характеристик САР
Сравнение динамических характеристик САР .
Реализация рассчитанной системы автоматизации. Выбор
технических средств автоматизации. Выбор и разработка
программных средств ..
Составление спецификации на выбранные средства автоматизации .
Участок гашения извести входит в состав отделения по производству известкового молока и предназначен для получения поглотительных сорбентов используемых для очистки от вредных веществ отходящих газов и промышленных стоков.
Участок гашения извести был введен в работу в 1965 году. В 1990 году была произведена реконструкция участка целью которой являлось установка трех ниток гашения следующая реконструкция участка гашения извести была произведена в 2001 году для увеличения его производительности.
Описание технологического процесса гашения извести
1 Получение известкового молока
Получение известкового молока заключается в процессе гашения извести при перемешивании с горячей водой. Гашение извести водой протекает по реакции:
СаО + Н2О = Са(ОН)2 + 1593*419 кДж.
Гидратация оксида кальция является обратимой реакцией направление которой зависит от температуры и давления водяных паров в окружающей среде. Упругость паров при диссоциации Са(ОН)2 на СаО и Н2О достигает атмосферного давления при температуре 547 0С следует учесть что гидроксид кальция начинает разлагаться и при более низкой температуре. Для того чтобы процесс шел в нужном направлении то есть чтобы не происходило диссоциации гидроксида кальция нужно повышать температуру реакции для увеличения упругости водяных паров над Са(ОН)2 но и не допускать слишком высокой температуры реагентов. Однако слишком сильное охлаждение реакционной зоны может замедлить процесс получения Са(ОН)2. Оптимальный диапазон температур находится в интервале от 50 до 80 0С.
Большое значение при гашении извести имеет температура подаваемой на гашение воды так как растворимость Са(ОН)2 в воде с повышением температуры снижается. Получение Са(ОН)2 является экзотермической реакцией избыточная вода при гашении извести нагревается в результате реакции. Следствием этого является выпадение Са(ОН)2 в осадок выпавший в осадок Са(ОН)2 обволакивает не прореагировавшие частицы СаО тем самым препятствуя соприкосновению воды с оксидом кальция.
При снижении скорости гашения а в дальнейшем и прекращении самого процесса температура реакционной зоны снижается. Снижение температуры воды увеличивает растворимость Са(ОН)2 пленка на негашеной извести растворяется и реакция возобновляется.
Наличие явления «самоторможения» в процессе гашения указывает на необходимость проведения данного процесса при постоянной температуре реакционной смеси.
Примеси присутствующие в исходном сырье при обжиге взаимодействуют с СаО образуя силикаты алюминаты ферриты. При гашении данные примеси снижают способность извести к гидратации они вступают в реакцию с водой образуя гидросиликаты гидроалюминаты кальция. Процесс сопровождается набуханием и образованием желеобразной массы состоящей из данных соединений.
При длительном хранении на открытом воздухе негашеной извести наблюдается явление пассивации то есть происходит гашение влагой воздуха на поверхности СаО и образование Са(ОН)2 которая в свою очередь взаимодействует с атмосферным воздухом образуя карбонат кальция. Пленка карбоната изолирует СаО от воздействия влаги препятствуя самопроизвольному гашению. Активность извести зависит от размеров кристаллов СаО и степени повреждения кристаллической решетки.
2 Описание технологической схемы
Известь на участок гашения направляется с помощью ленточных транспортеров и сбрасывается подвижными плужками в какой либо из рабочих бункеров (поз. Б1 Б2 Б3) в зависимости от наличия в них свободного места.
Из рабочих бункеров (поз. Б1 Б2 Б3) известь лотковыми питателями транспортируется в загрузочную часть аппарата гашения извести (поз. АИ)
. Аппарат гашения извести (далее АИ – аппарат известегасительный) представляет собой цилиндрический барабан вращающийся на роликах с частотой вращения от 3 до 4 оборотов в минуту. В загрузочную часть АИ также поступает горячая вода с температурой (6010)°С.
Внутренняя поверхность барабана по всей длине имеет направляющие пластины установленные винтообразным образом под углом около 12° к цилиндрообразующей барабана благодаря чему известь поступающая в загрузочную часть перемещается вдоль оси барабана к выгрузной части.
Для удаления не прогасившихся кусков извести (далее недопала) выгрузочная часть снабжена специальным устройством в виде спирали. При помощи спирали недопал удаляется из АИ на транспортер сортируется по фракциям на решетке классификатора а затем крупная фракция с размерами частиц от 60 мм и более транспортируется в бункер - накопитель крупного недопала. По мере заполнения бункера крупного недопала крупный недопал разгружается на транспортерную ленту и направляется в расходные бункера печей. Куски недопала размером в поперечники менее 60 мм проваливаются через решетку классификатора в бункер – накопитель мелкого недопала и вывозятся автотранспортом на полигон твердых отходов или используются для хозяйственных нужд комбината.
Известковое молоко через решетку в выгрузной части АИ поступает в спиральный классификатор (поз. КС1 КС2) корпус классификатора представляет собой сварное полуцилиндрической формы наклонное корыто оборудованное спиралью (далее шнеком).
С помощью шнека происходит отделение фракции песков (пески – мелкая твердая фракция в составе которой мелкая фракция недопала и нерастворимые карбонаты). Спираль является транспортирующим механизмом и служит для перемещения крупного класса песков из зоны осаждения к разгрузочному лючку классификатора. По мере продвижения от зеркала осаждения до разгрузочного лючка происходит обезвоживание песков. Известковое молоко от классификаторов поступает в промежуточные баки (поз. БП1 БП2) номинальной вместимостью 16м3. Из промежуточных баков известковое молоко песковыми насосами с осевым входом (поз. НП1 НП2 НП3 НП4) перекачивается через 2 пары гидроциклонов (поз. ГЦ1 ГЦ2 ГЦ3 ГЦ4) в расходные баки – сборники (поз. ЦР1 ЦР2 ЦР3 ЦР4) номинальной вместимостью 380м3. В гидроциклонах происходит более тонкая очистка пески с некоторым количеством известкового молока из нижней части гидроциклонов удаляются в классификаторы (поз. КС1 КС2) где отделяются от известкового молока затем вывозятся автотранспортом для использования в строительстве и для хозяйственных нужд комбината а очищенное молоко в промежуточный бак (поз. БП1 БП2) и затем в цилиндрические резервуары (поз. ЦР1 ЦР2 ЦР3 ЦР4). В процессе получения известкового молока используется оборотная вода которая поступает из трубопровода комбината.
Подогрев воды для гашения извести осуществляется в аппарате погружного горения (поз. АПГ). При необходимости подогрев воды можно вести в подогревателях пароводяных (поз. ПП1 ПП2).
Известковое молоко из цилиндрических резервуарах песковыми насосами с осевым входом (поз. НП5 НП6) непрерывно транспортируется в кольцевые трубопроводы образующих большое и малое кольцо и трубопровод для снабжения газоочистки №5 и очистных сооружениях. Из большого кольца через индивидуальные отводы осуществляется подача известкового молока в баки циркуляции газоочистных сооружений №134 а через малое кольцо № 12.
Общая характеристика выбранного объекта регулирования
Аппарат погружного горения представляет собой в соответствии с проектом горизонтально расположенный цилиндр диаметром 1912мм и длиной 5300мм с торцевыми днищами в виде усеченных конусов. Корпус аппарата погружного горения разделен на три части двумя перегородками высотой 1210мм. По краям корпуса расположены нагревательные отсеки куда вставляются погружные горелки. В каждом отсеке врезан патрубок для подачи холодной воды. В средней части корпуса находится отсек для сбора горячей воды через нижнюю часть этого отсека производится отбор воды в верхней части находится расширитель для сепарации капель со стороны расширителя врезан люк Ду – 800 для установки предохранительной взрывной мембраны. Из верхней части расширителя через переходник осуществляется отвод парогазовой смеси.
Высокотемпературные продукты сгорания топлива выводятся из нижнего выпускного отверстия жаровой трубы горелки под уровень воды барботируют через нее образуя развитую поверхность теплообмена в виде пузырьков и передают тепло воде. Для улучшения дымовых газов по объему на корпусе жаровой трубы предусмотрена барботажная решетка. Дымовые газы охлажденные до определенной температуры уходят по дымовому тракту через аспирационную установку (АТУ-1) в атмосферу.
Горячая вода из отсека сбора насосом частично подается на аппараты гашения извести а частично с объемным расходом около 18 м3ч на охлаждение жаровой трубы погружного устройства.
Краткая характеристика аппарата погружного горения и погружной горелки сведена в таблице № 1.
Характеристика аппарата погружного горения
Наименование оборудования
Краткая характеристика оборудования
Аппарат погружного горения
Мощность по теплу Гкалч 39
Производительность м3ч 40
Глубина погружения горелки мм 500
Объем аппарата м3 165
Рабочий объем воды м3 96
Топливо – природный газ
Температура нагрева воды 0С 60-80.
Номинальная тепловая мощность
Номинальный объемный расход газа м3сек 007
Номинальное давление газа мм.вод.ст. 500
Номинальная длинна факела мм 2 270
Коэффициент регулирования 10
Глубина погружения жаровой трубы под уровень воды мм 500
Анализ объекта регулирования с точки зрения действующих возмущений
Для расчета выбран контур автоматического регулирования температуры воды на выходе из АПГ в диапазоне 60±10 С так как температура подаваемой на гашение воды имеет большое значение при гашении извести так как растворимость Са(ОН)2 в воде с повышением температуры снижается. Нагрев воды зависит от следующих показателей:
)количество подаваемого топлива в аппарат погружного горения т.е. расход природного газа от которого напрямую зависит температура;
)начальная температура холодной воды поступающей в аппарат погружного горения;
)расход сжатого воздуха;
)соотношение «газ - воздух» (1:10) необходимое для реакции горения метана;
)разряжение в АПГ так как влияет на температуру парогазовой смеси над поверхностью воды (отбор воды осуществляется при переливе ее через перегородки из нагревательных отсеков в отсек отбора воды т.е. с поверхности столба жидкости в нагревательного отсека);
)расход холодной воды.
На процесс нагрева воды в аппарате погружного горения действуют следующие возмущения:
)разряжение в АПГ так как влияет на температуру парогазовой смеси над поверхностью воды;
)начальная температура холодной воды поступающей в аппарат погружного горения т.к. она не поддается регулированию;
)температура окружающей среды она не поддается регулированию и влияет на температуру воды в АПГ через стенку (температуру окружающей среды не будем учитывать так как она не сильно влияет на температуру внутри аппарата погружного горения).
Для автоматического регулирования температуры на выходе из аппарата погружного горения выбираем систему состоящую из следующих контуров:
корректирующего контура регулирования по температуре;
стабилизирующего контура регулирования расхода природного газа (температура в АПГ непосредственно зависит от расхода природного газа с увеличением расхода увеличивается температура- прямая зависимость);
Обоснование и выбор точек и параметров контроля технологического процесса
1. Обоснование точек контроля температуры
Температура природного газа до и после ГРУ (поз. 1-1 2-1 ) подлежит контролю. Расход природного газа является хозрасчетным параметром. Для точного измерения расхода природного газа необходимо знать его температуру. Газы при разной температуре имеют разный объем в большей степени чем другие среды. Поправка осуществляется с помощью ПВЭМ.
Температура в известигасительным аппарате (поз. 3-1) подлежит контролю так как явления «самоторможения» в процессе гашения извести указывает на необходимость проведения данного процесса при постоянной температуре реакционной смеси. Температура поддерживается в интервале 50-70ºС.
Температура пара (поз. 4-1) поступающего в подогреватели пароводяные для нагрева воды должна контролироваться в диапазоне от 130 до 150 С для осуществления нагрева воды до нужной температуры.
Температура отходящих газов (поз. 5-1) должна контролироваться в диапазоне от 60 до 90 С.
Температура горячей воды на выходе из аппарата погружного горения (поз. 6-1) необходимо контролировать так как является качественным показателем процесса. Температура горячей воды должна быть в диапазоне 60±10 С.
Температура технологической воды (поз. 7-1) поступающей в аппарат погружного горения и в подогреватели пароводяные необходимо контролировать в диапазоне от 5 до 25 С.
Температура горячей воды на выходе из пароводяных подогревателей (поз. 8-1 9-1) необходимо контролировать так как является качественным показателем процесса. Температура горячей воды должна быть в диапазоне 60±10 С.
2. Обоснование точек контроля расхода
Расход природного газа до и после ГРУ (поз. 10-1 11-1) подлежит контролю так как является хозрасчетным параметром 200-500 .
Расход воздуха (поз. 12-1) необходимо контролировать в диапазоне от 2000 до 5000 . Это необходимо для нормального горения природного газа и поддержания соотношения «газ-воздух» 1:10.
Расход пара (поз. 13-2) поступающего в подогреватели пароводяные
-7 так как является хозрасчетной величиной.
Расход горячей воды на входе в аппарат известигасителный (поз. 14-1 15-1) 35 .
Расход воды (поз. 16-1) поступающей на подогреватели пароводяные и на аппарат АПГ контролируется в диапазоне от 40 до 120 .
Расход известкового молока (поз. 17-1 18-1 19-1) для учета поглотительного сорбента поступающего по газоочисткам и на очистные сооружения.
3. Обоснование точек контроля давления
Давление природного газа до и после ГРУ (поз. 20-1 21-1) подлежит контролю для введения поправки на значение общего расхода природного газа. Значение давления газа в газопроводах влияет на точность измерения расхода газа. Расход природного газа – хозрасчетный параметр. Необходимо обеспечить точность его измерения.
Давление пара (поз. 22-1) контролируется в диапазоне от 3 до 4 для введения поправки на значение общего расхода пара поступающего в подогреватели пароводяные.
Давление природного газа перед горелками Г1 и Г2 (поз. 23-1 24-1) контролируется для правильной работы горелок а также для обеспечения сигнализации и блокировки природного газа.
Вакуумметрическое давление (поз. 25-1) в аппарате погружного горения должно быть не менее -004 а также контролируется для обеспечения сигнализации и блокировки природного газа.
Давление известкового молока (поз. 26-1 27-1 28-1) в циркуляционном трубопроводе на входе в участок контролируется в диапазоне от 3 до 7 для контроля и сигнализации циркуляции известкового молока на сливе в цилиндрические резервуары ЦР1 ЦР4.
Давление технологической воды на входе в участок (поз. 29-1) контролируется в диапазоне от 3 до 4 .
Давление сжатого воздуха перед погружными горелками Г1 (поз. 30-1) и Г2 (поз. 31-1) контролируется в интервале от 5 до 20 для обеспечения сигнализации и блокировки природного газа.
4. Обоснование точек контроля уровня
Уровень в бункерах (поз. 32-1 33-1 34-1) должен не превышать 35 м чтобы избежать пересыпания известкового камня из бункеров Б1 3.
Уровень известкового молока в цилиндрических резервуарах (поз. 35-1 36-1 37-1 38-1) контролируется в диапазоне от 05 до 5 м чтобы избежать перелива известкового молока и чтобы избежать работу насосов качающих известковое молоко в холостом режиме.
Уровень известкового молока в промежуточных баках (поз. 39-1 40-1) контролируется в диапазоне от 05 до 3 м для того чтобы избежать перелива известкового молока.
Уровень в нагревательных отсеках (поз. 41-1 42-1) контролируется в диапазоне от 500 – 600 мм для предотвращения перелива нагреваемой воды из отсеков.
5. Обоснование точек контроля наличия пламени
Контроль наличия пламени на горелках Г1 (поз. 43-1) и Г2 (поз. 44-1) необходим для нормальной работы аппарата погружного горения и для отсечки природного газа при погасании пламени.
Обоснование и выбор контуров регулирования типа регуляторов
Автоматическое регулирование расхода нагретой воды поступающей из аппарата погружного горения в аппарат известигасительный (поз. 14-4). Это нужно для поддержания расхода нагретой воды на отметке 35 тч для того чтобы процесс гашения извести в аппарате известигасительном протекал в оптимальном режиме т.е. без «самоторможения».
Автоматическое регулирование расхода нагретой воды поступающей из пароводяного подогревателя в аппарат известигасительный (поз. 15-4). Это нужно для поддержания расхода нагретой воды на отметке 35 тч для того чтобы процесс гашения извести в аппарате известигасительном протекал в оптимальном режиме т.е. без «самоторможения».
Система автоматического регулирования соотношения «газ – воздух» (поз. 11-4) предназначена для поддержания соотношения расходов газа и воздуха поступающих в горелку Г1 и Г2 в заданной пропорции. На одну объемную часть газа приходится десять частей воздуха соотношение 1:10. регулирование соотношения осуществляется по воздуху. Регулирование осуществляется с помощью ПИ-регулятора поворотной заслонки и исполнительного механизма МЭО.
Автоматическое регулирование температуры горячей воды поступающей из пароводяных подогревателей ПП1 (поз. 8-3) и ПП2 (поз. 9-3) в аппарат известигасительный осуществляется изменением расхода пара для поддержания температуры в интервале от 50С до 70С. Это необходимо т.к. растворимость Са(ОН)2 в воде с повышением температуры снижается.
Автоматическое регулирование температуры горячей воды поступающей из аппарата погружного горения АПГ (поз. 6-3) в аппарат известигасительный осуществляется изменением объемного расхода природного газа для поддержания температуры в интервале от 50С до 70С. Это необходимо т.к. растворимость Са(ОН)2 в воде с повышением температуры снижается.
Автоматическое регулирование уровня в аппарате погружного горения (поз. 41-3) необходимо для поддержания уровня в диапазоне от 500 до 600 мм и для предотвращения перелива воды из нагревательных отсеков.
Обоснование параметров подлежащих сигнализации и блокировке
Схема сигнализации и отсечки природного газа на аппарат погружного горения необходима для предупреждения отрыва пламени и правильной работы горелок Г1 и Г2 и предотвращения взрывов газо-воздушной смеси в аппарате погружного горения т.е. для обеспечения безопасности.. Срабатывание происходит при достижении уставок давления природного газа (поз. 23-1 24-1) Рприр.г. 50 кПа > 120 кПа давления сжатого воздуха перед погружной горелкой Г1 и Г2 (поз. 30-1 31-1) Рвоздуха 50 кПа вакуумметрического давления после аппарата погружного горения (поз. 25-1) Рпосле АПГ 004 кПа и погасании пламени горелок (поз. 43-1 44-1).
Схема сигнализации предельных уровней в цилиндрических резервуарах (поз. 35-1 36-1 37-1 38-1) L 05 м и L> 50 м и в промежуточных баках (поз. 39-1 40-1) L 05 м и L> 30 м необходима для предотвращения перелива известкового молока из емкостей (сработка уставок по максимальному уровню) и для предотвращения неправильной работы песковых насосов.
Схема сигнализации предельных уровней в накопительных бункерах (поз. 32-1 33-1 34-1) предназначена для предотвращения пересыпа извести. Сигнализация срабатывает при достижении уровня L=35 м.
Сигнализация температуры в аппарате известигасительном (поз. 3-1) необходима для оптимального процесса гашения извести в аппарате известигасительном. Сработка по верхнему пределу более 70С а по нижнему пределу 50С.
Сигнализация наличия циркуляции известкового молока в циркуляционном трубопроводе (поз. 26-1 27-1 28-1) сигнализирует о прекращении стока известкового молока в цилиндрические резервуары.
Схема сигнализации уровней в аппарате погружного горения (поз. 41-1 42-1) сигнализирующая о превышении уровня в нагревательных отсеках
Проведение активного эксперимента. Получение динамических характеристик
Целью проведения эксперимента является нахождение передаточных функций основного и внутреннего каналов математической модели объекта исследования (аппарат погружного горения) по полученным кривым разгона. Для каждого канала в отдельности ставятся эксперименты смысл которых заключается в нанесении управляющего воздействия на вход канала и при помощи контрольно-измерительной аппаратуры регистрируются изменения выходной величины канала во времени (т.е. кривые разгона).
Рисунок №1 Структурная схема эксперимента
– передаточная функция основного канала;
– передаточная функция внутреннего канала;
Для расчёта системы снимем следующие кривые разгона переходных процессов:
)изменение положения регулирующего органа на трубопроводе природного газа – температура воды на выходе из АПГ ;
)изменение положения регулирующего органа на трубопроводе природного газа – расход природного газа .
Перед проведением эксперимента все регуляторы установим в положение «ручное». Проконтролируем чтобы все параметры объекта находились в установившемся состоянии. В период проведения эксперимента будем засекать время с момента подачи возмущения до момента изменения реагирующего параметра (время чистого запаздывания). В течение эксперимента снимаем значения изменяющегося параметра через равные интервалы времени до тех пор пока он не установится.
Снятие первой кривой разгона. Изменим положение регулирующего органа на трубопроводе природного газа – открыв на 5%. Температура воды до проведения эксперимента составляла 65С а после возмущения 71С. Время эксперимента сек. Запаздывание сек.
Координаты динамической характеристики по основному каналу
Температура воды на выходе из АПГ С
Рисунок №2 Динамическая характеристика по основному каналу
Снятие второй кривой разгона. Изменим положение регулирующего
органа на трубопроводе природного газа – открыв на 5%. Расход природного газа до проведения эксперимента составлял 320 а после возмущения 358 . Время эксперимента сек. Запаздывание сек.
Координаты динамической характеристики по внутреннему каналу
Расход природного газа
Рисунок № 3 Динамическая характеристика по внутреннему каналу
Произведем обработку кривой разгона основного канала.
Рассчитаем коэффициент передачи объекта для статического (установившегося) режима:
где - изменение выходной величины (температуры)
- начальное значение температуры (С)
- конечное (установившееся) значение температуры (С)
- номинальное (максимально возможное) значение температуры
- изменение степени открытия РО единичным скачком на 5%
- номинальная (максимальная) степень открытия РО=100%.
Произведем нормирование кривой разгона по формуле:
где - текущее значение выходной величины (температуры).
Координаты нормированной динамической характеристики по основному каналу
Рисунок № 4 Нормированная кривая разгона по основному каналу
Для получения передаточной функции по основному каналу используем программу «Идентификация объектов управления».
Передаточная функция основного канала равна:
Производим проверку аппроксимации нормированной кривой разгона основного канала для чего получаем аналитическое выражение переходного процесса по передаточной функции в программе «Калькулятор передаточных функций». Получим корни передаточной функции:
Аналитическое выражение переходного процесса представляет собой следующее выражение:
Y (t) =1000-1338*Exp (-0005*t))-0338*Exp (-0020*t)) (4)
Мнимые части корней характеристического уравнения равны нулю. Это значит что корни характеристического уравнения являются сходящимися. Это погрешность алгоритма вычисления корней. Изменим коэффициент в передаточной функции так чтобы получились расходящиеся корни для этого необходимо увеличивать коэффициент перед s2 в знаменателе передаточной функции. Новое значение исходной передаточной нормированной кривой разгона основного канала будет выглядеть следующим образом:
Получим корни передаточной функции:
Аналитическое выражение переходного процесса примет вид:
Y(t)=1000 +(7675*Cos((-4582)+(0001*t))*Exp(-0008*t)) (6)
По полученному выражению строим график кривой разгона и сравниваем его с нормированной кривой разгона .
Рисунок № 5 Нормированная кривая разгона и рассчитанная по основному каналу.
Произведем обработку экспериментальной кривой разгона внутреннего канала.
где - изменение выходной величины (расхода природного газа)
- начальное значение расхода ()
- конечное (установившееся) значение расхода ()
- номинальное (максимально возможное) значение расхода
- изменение входного сигнала (степени открытия РО) единичным скачком на 5%
Произведем нормирование кривой разгона по формуле (2) в которой - это текущее значение выходной величины (расход природного газа).
Координаты нормированной динамической характеристики по внутреннему каналу
Рисунок № 6 Нормированная кривая разгона по внутреннему каналу
Найдем передаточную функцию внутреннего канала Передаточная функция о канала равна:
Y(t)=1000-1729*Exp(-0206*t))-0729*Exp(-0488*t)) (9)
Y(t)=1000+(16696*Cos((-4652)+(0017*t))*Exp(-0288*t)) (11)
Рисунок № 7 Нормированная кривая разгона и рассчитанная по внутреннему каналу.
Произведем расчет относительной погрешности аппроксимации по основному и внутреннему каналу. Расчет будем производить по формуле:
Данные по расчету приведены в таблице № 6.
Сравнительный анализ по основному и внутреннему каналу
По основному каналу %
По внутреннему каналу %
Максимальная ошибка аппроксимации по основному каналу: 4902% а по внутреннему 1809% то есть не превышают 5% что свидетельствует о том что полученные ранее передаточные функции достаточно точно отражают свойства объекта управления и могут быть использованы для дальнейших расчетов.
Обоснование и выбор системы автоматизации технологического процесса
Автоматическое регулирование температуры горячей воды поступающей из аппарата погружного горения в аппарат известигасительный осуществляется изменением объемного расхода природного газа для поддержания температуры в интервале от 50С до 70С. Это необходимо для того чтобы процесс гашения извести в аппарате известигасительном протекал в оптимальном режиме т.е. без «самоторможения» т.к. растворимость Са(ОН)2 в воде с повышением температуры снижается.
Для осуществления данной системы регулирования необходимо сконфигурировать на контроллерах SIMATIC S7-300 каскадный контур регулирования температуры воды на выходе из аппарата погружного горения.
Для системы автоматического регулирования выбираем контроллеры SIMATIC S7-300. Выбор данного типа контроллера обусловлен его компактностью многофункциональностью универсальностью в плане решаемых задач.
Для регулирования температуры будем использовать механизмы электрические однооборотные МЭО-4010-025У. Регулирующий орган – поворотно-регулирующая заслонка (ПРЗ) с ДУ=400 мм.
Расчет одноконтурной системы регулирования
Рисунок №8 Структурная схема одноконтурной системы автоматического регулирования
– передаточная функция ведомого регулятора;
– заданное значение температуры;
– выходная величина объекта регулирования (температура воды на выходе из АПГ);
– управляющее воздействие приложенное к подаче топлива;
Передаточная функция по основному каналу:
С помощью программы «LINREGTV» используя метод Ротача В.Я. для ПИД-регулятора определяем оптимальные настройки по основному каналу.
В результате расчета получили следующие данные для ПИД-регулятора:
коэффициент пропорциональности нормированный
коэффициент пропорциональности абсолютный
время дифференцирования
критическая частота
Передаточная функция ПИД-регулятора имеет вид:
где время интегрирования которая определяется по формуле:
Расчет каскадной системы регулирования
Рисунок №2 Структурная схема каскадной системы автоматического регулирования
– передаточная функция ведущего регулятора;

Спецификация (1).cdw

Наименование и техническая характеристика
обозначение документа
Оборудование и материалы
Приборы и средства автоматимзации
Расход природного газа после ГРУ
Диапазон измерения 0-500 м
Диафрагма камерная на Ру=0
Материал корпуса камер Ст. 20 материал диска диафрагмы сталь 12Х17
Предел измерения (0-6
(-5 +50)-0.5-6.316-42-Н14
Датчик разности давлении
Сапфир-22МТ-ДД-2430-01-УХЛ3.1
Неполноповоротный электропривод ASR 12. Степень защиты IP67
Входной сигнал 4-20 мА
Температура воды на выходе из АПГ
Термопреобразователь с выходным унифицированым сигнало 4-20мА
ТУ 311-00226253.070-99
номинальная статическая характеристика 50М
Контроллер регулирующий в комплекте:
Центральный процессор CPU 313C c 5 аналоговыми входами

Чертеж1.cdw

Спецификация (6).cdw

Наименование и техническая характеристика
обозначение документа

atp.doc

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
Березниковский филиал
Кафедра Автоматизация технологических процессов
Описание технологического процесса гашения извести . .. ..4
1 получение известкового молока ..4
2 Описание технологической схемы . 5
Общая характеристика выбранного объекта регулирования . .7
Анализ объекта регулирования с точки зрения
действующих возмущений ..9
Обоснование и выбор точек и параметров контроля
технологического процесса 10
1. Обоснование точек контроля температуры .10
2. Обоснование точек контроля расхода ..11
3. Обоснование точек контроля давления 12
4. Обоснование точек контроля уровня 12
5. Обоснование точек контроля наличия пламени ..13
Обоснование и выбор контуров регулирования типа регуляторов .13
Обоснование параметров подлежащих сигнализации и блокировке 14
Проведение активного эксперимента. Получение динамических характеристик 15
Обоснование и выбор системы автоматизации
технологического процесса ..24
Расчет одноконтурной системы регулирования 25
Расчет каскадной системы регулирования ..26
Моделирование и получение динамических характеристик САР .29
Сравнение динамических характеристик САР 29
Реализация рассчитанной системы автоматизации. Выбор
технических средств автоматизации. Выбор и разработка
программных средств 31
Участок гашения извести входит в состав отделения по производству известкового молока и предназначен для получения поглотительных сорбентов используемых для очистки от вредных веществ отходящих газов и промышленных стоков.
Участок гашения извести был введен в работу в 1965 году. В 1990 году была произведена реконструкция участка целью которой являлось установка трех ниток гашения следующая реконструкция участка гашения извести была произведена в 2001 году для увеличения его производительности.
Описание технологического процесса гашения извести
1 Получение известкового молока
Получение известкового молока заключается в процессе гашения извести при перемешивании с горячей водой. Гашение извести водой протекает по реакции:
СаО + Н2О = Са(ОН)2 + 1593*419 кДж.
Гидратация оксида кальция является обратимой реакцией направление которой зависит от температуры и давления водяных паров в окружающей среде. Упругость паров при диссоциации Са(ОН)2 на СаО и Н2О достигает атмосферного давления при температуре 547 0С следует учесть что гидроксид кальция начинает разлагаться и при более низкой температуре. Для того чтобы процесс шел в нужном направлении то есть чтобы не происходило диссоциации гидроксида кальция нужно повышать температуру реакции для увеличения упругости водяных паров над Са(ОН)2 но и не допускать слишком высокой температуры реагентов. Однако слишком сильное охлаждение реакционной зоны может замедлить процесс получения Са(ОН)2. Оптимальный диапазон температур находится в интервале от 50 до 80 0С.
Большое значение при гашении извести имеет температура подаваемой на гашение воды так как растворимость Са(ОН)2 в воде с повышением температуры снижается. Получение Са(ОН)2 является экзотермической реакцией избыточная вода при гашении извести нагревается в результате реакции. Следствием этого является выпадение Са(ОН)2 в осадок выпавший в осадок Са(ОН)2 обволакивает не прореагировавшие частицы СаО тем самым препятствуя соприкосновению воды с оксидом кальция.
При снижении скорости гашения а в дальнейшем и прекращении самого процесса температура реакционной зоны снижается. Снижение температуры воды увеличивает растворимость Са(ОН)2 пленка на негашеной извести растворяется и реакция возобновляется.
Наличие явления «самоторможения» в процессе гашения указывает на необходимость проведения данного процесса при постоянной температуре реакционной смеси.
Примеси присутствующие в исходном сырье при обжиге взаимодействуют с СаО образуя силикаты алюминаты ферриты. При гашении данные примеси снижают способность извести к гидратации они вступают в реакцию с водой образуя гидросиликаты гидроалюминаты кальция. Процесс сопровождается набуханием и образованием желеобразной массы состоящей из данных соединений.
При длительном хранении на открытом воздухе негашеной извести наблюдается явление пассивации то есть происходит гашение влагой воздуха на поверхности СаО и образование Са(ОН)2 которая в свою очередь взаимодействует с атмосферным воздухом образуя карбонат кальция. Пленка карбоната изолирует СаО от воздействия влаги препятствуя самопроизвольному гашению. Активность извести зависит от размеров кристаллов СаО и степени повреждения кристаллической решетки.
2 Описание технологической схемы
Известь на участок гашения направляется с помощью ленточных транспортеров и сбрасывается подвижными плужками в какой либо из рабочих бункеров (поз. Б1 Б2 Б3) в зависимости от наличия в них свободного места.
Из рабочих бункеров (поз. Б1 Б2 Б3) известь лотковыми питателями транспортируется в загрузочную часть аппарата гашения извести (поз. АИ)
. Аппарат гашения извести (далее АИ – аппарат известегасительный) представляет собой цилиндрический барабан вращающийся на роликах с частотой вращения от 3 до 4 оборотов в минуту. В загрузочную часть АИ также поступает горячая вода с температурой (6010)°С.
Внутренняя поверхность барабана по всей длине имеет направляющие пластины установленные винтообразным образом под углом около 12° к цилиндрообразующей барабана благодаря чему известь поступающая в загрузочную часть перемещается вдоль оси барабана к выгрузной части.
Для удаления не прогасившихся кусков извести (далее недопала) выгрузочная часть снабжена специальным устройством в виде спирали. При помощи спирали недопал удаляется из АИ на транспортер сортируется по фракциям на решетке классификатора а затем крупная фракция с размерами частиц от 60 мм и более транспортируется в бункер - накопитель крупного недопала. По мере заполнения бункера крупного недопала крупный недопал разгружается на транспортерную ленту и направляется в расходные бункера печей. Куски недопала размером в поперечники менее 60 мм проваливаются через решетку классификатора в бункер – накопитель мелкого недопала и вывозятся автотранспортом на полигон твердых отходов или используются для хозяйственных нужд комбината.
Известковое молоко через решетку в выгрузной части АИ поступает в спиральный классификатор (поз. КС1 КС2) корпус классификатора представляет собой сварное полуцилиндрической формы наклонное корыто оборудованное спиралью (далее шнеком).
С помощью шнека происходит отделение фракции песков (пески – мелкая твердая фракция в составе которой мелкая фракция недопала и нерастворимые карбонаты). Спираль является транспортирующим механизмом и служит для перемещения крупного класса песков из зоны осаждения к разгрузочному лючку классификатора. По мере продвижения от зеркала осаждения до разгрузочного лючка происходит обезвоживание песков. Известковое молоко от классификаторов поступает в промежуточные баки (поз. БП1 БП2) номинальной вместимостью 16м3. Из промежуточных баков известковое молоко песковыми насосами с осевым входом (поз. НП1 НП2 НП3 НП4) перекачивается через 2 пары гидроциклонов (поз. ГЦ1 ГЦ2 ГЦ3 ГЦ4) в расходные баки – сборники (поз. ЦР1 ЦР2 ЦР3 ЦР4) номинальной вместимостью 380м3. В гидроциклонах происходит более тонкая очистка пески с некоторым количеством известкового молока из нижней части гидроциклонов удаляются в классификаторы (поз. КС1 КС2) где отделяются от известкового молока затем вывозятся автотранспортом для использования в строительстве и для хозяйственных нужд комбината а очищенное молоко в промежуточный бак (поз. БП1 БП2) и затем в цилиндрические резервуары (поз. ЦР1 ЦР2 ЦР3 ЦР4). В процессе получения известкового молока используется оборотная вода которая поступает из трубопровода комбината.
Подогрев воды для гашения извести осуществляется в аппарате погружного горения (поз. АПГ). При необходимости подогрев воды можно вести в подогревателях пароводяных (поз. ПП1 ПП2).
Известковое молоко из цилиндрических резервуарах песковыми насосами с осевым входом (поз. НП5 НП6) непрерывно транспортируется в кольцевые трубопроводы образующих большое и малое кольцо и трубопровод для снабжения газоочистки №5 и очистных сооружениях. Из большого кольца через индивидуальные отводы осуществляется подача известкового молока в баки циркуляции газоочистных сооружений №134 а через малое кольцо № 12.
Общая характеристика выбранного объекта регулирования
Аппарат погружного горения представляет собой в соответствии с проектом горизонтально расположенный цилиндр диаметром 1912мм и длиной 5300мм с торцевыми днищами в виде усеченных конусов. Корпус аппарата погружного горения разделен на три части двумя перегородками высотой 1210мм. По краям корпуса расположены нагревательные отсеки куда вставляются погружные горелки. В каждом отсеке врезан патрубок для подачи холодной воды. В средней части корпуса находится отсек для сбора горячей воды через нижнюю часть этого отсека производится отбор воды в верхней части находится расширитель для сепарации капель со стороны расширителя врезан люк Ду – 800 для установки предохранительной взрывной мембраны. Из верхней части расширителя через переходник осуществляется отвод парогазовой смеси.
Высокотемпературные продукты сгорания топлива выводятся из нижнего выпускного отверстия жаровой трубы горелки под уровень воды барботируют через нее образуя развитую поверхность теплообмена в виде пузырьков и передают тепло воде. Для улучшения дымовых газов по объему на корпусе жаровой трубы предусмотрена барботажная решетка. Дымовые газы охлажденные до определенной температуры уходят по дымовому тракту через аспирационную установку (АТУ-1) в атмосферу.
Горячая вода из отсека сбора насосом частично подается на аппараты гашения извести а частично с объемным расходом около 18 м3ч на охлаждение жаровой трубы погружного устройства.
Краткая характеристика аппарата погружного горения и погружной горелки сведена в таблице № 1.
Характеристика аппарата погружного горения
Наименование оборудования
Краткая характеристика оборудования
Аппарат погружного горения
Мощность по теплу Гкалч 39
Производительность м3ч 40
Глубина погружения горелки мм 500
Объем аппарата м3 165
Рабочий объем воды м3 96
Топливо – природный газ
Температура нагрева воды 0С 60-80.
Номинальная тепловая мощность
Номинальный объемный расход газа м3сек 007
Номинальное давление газа мм.вод.ст. 500
Номинальная длинна факела мм 2 270
Коэффициент регулирования 10
Глубина погружения жаровой трубы под уровень воды мм 500
Анализ объекта регулирования с точки зрения действующих возмущений
Для расчета выбран контур автоматического регулирования температуры воды на выходе из АПГ в диапазоне 60±10 С так как температура подаваемой на гашение воды имеет большое значение при гашении извести так как растворимость Са(ОН)2 в воде с повышением температуры снижается. Нагрев воды зависит от следующих показателей:
)количество подаваемого топлива в аппарат погружного горения т.е. расход природного газа от которого напрямую зависит температура;
)начальная температура холодной воды поступающей в аппарат погружного горения;
)расход сжатого воздуха;
)соотношение «газ - воздух» (1:10) необходимое для реакции горения метана;
)разряжение в АПГ так как влияет на температуру парогазовой смеси над поверхностью воды (отбор воды осуществляется при переливе ее через перегородки из нагревательных отсеков в отсек отбора воды т.е. с поверхности столба жидкости в нагревательного отсека);
)расход холодной воды.
На процесс нагрева воды в аппарате погружного горения действуют следующие возмущения:
)разряжение в АПГ так как влияет на температуру парогазовой смеси над поверхностью воды;
)начальная температура холодной воды поступающей в аппарат погружного горения т.к. она не поддается регулированию;
)температура окружающей среды она не поддается регулированию и влияет на температуру воды в АПГ через стенку (температуру окружающей среды не будем учитывать так как она не сильно влияет на температуру внутри аппарата погружного горения).
Для автоматического регулирования температуры на выходе из аппарата погружного горения выбираем систему состоящую из следующих контуров:
корректирующего контура регулирования по температуре;
стабилизирующего контура регулирования расхода природного газа (температура в АПГ непосредственно зависит от расхода природного газа с увеличением расхода увеличивается температура- прямая зависимость);
Обоснование и выбор точек и параметров контроля технологического процесса
1. Обоснование точек контроля температуры
Температура природного газа до и после ГРУ (поз. 1-1 2-1 ) подлежит контролю. Расход природного газа является хозрасчетным параметром. Для точного измерения расхода природного газа необходимо знать его температуру. Газы при разной температуре имеют разный объем в большей степени чем другие среды. Поправка осуществляется с помощью ПВЭМ.
Температура в известигасительным аппарате (поз. 3-1) подлежит контролю так как явления «самоторможения» в процессе гашения извести указывает на необходимость проведения данного процесса при постоянной температуре реакционной смеси. Температура поддерживается в интервале 50-70ºС.
Температура пара (поз. 4-1) поступающего в подогреватели пароводяные для нагрева воды должна контролироваться в диапазоне от 130 до 150 С для осуществления нагрева воды до нужной температуры.
Температура отходящих газов (поз. 5-1) должна контролироваться в диапазоне от 60 до 90 С.
Температура горячей воды на выходе из аппарата погружного горения (поз. 6-1) необходимо контролировать так как является качественным показателем процесса. Температура горячей воды должна быть в диапазоне 60±10 С.
Температура технологической воды (поз. 7-1) поступающей в аппарат погружного горения и в подогреватели пароводяные необходимо контролировать в диапазоне от 5 до 25 С.
Температура горячей воды на выходе из пароводяных подогревателей (поз. 8-1 9-1) необходимо контролировать так как является качественным показателем процесса. Температура горячей воды должна быть в диапазоне 60±10 С.
2. Обоснование точек контроля расхода
Расход природного газа до и после ГРУ (поз. 10-1 11-1) подлежит контролю так как является хозрасчетным параметром 200-500 .
Расход воздуха (поз. 12-1) необходимо контролировать в диапазоне от 2000 до 5000 . Это необходимо для нормального горения природного газа и поддержания соотношения «газ-воздух» 1:10.
Расход пара (поз. 13-2) поступающего в подогреватели пароводяные
-7 так как является хозрасчетной величиной.
Расход горячей воды на входе в аппарат известигасителный (поз. 14-1 15-1) 35 .
Расход воды (поз. 16-1) поступающей на подогреватели пароводяные и на аппарат АПГ контролируется в диапазоне от 40 до 120 .
Расход известкового молока (поз. 17-1 18-1 19-1) для учета поглотительного сорбента поступающего по газоочисткам и на очистные сооружения.
3. Обоснование точек контроля давления
Давление природного газа до и после ГРУ (поз. 20-1 21-1) подлежит контролю для введения поправки на значение общего расхода природного газа. Значение давления газа в газопроводах влияет на точность измерения расхода газа. Расход природного газа – хозрасчетный параметр. Необходимо обеспечить точность его измерения.
Давление пара (поз. 22-1) контролируется в диапазоне от 3 до 4 для введения поправки на значение общего расхода пара поступающего в подогреватели пароводяные.
Давление природного газа перед горелками Г1 и Г2 (поз. 23-1 24-1) контролируется для правильной работы горелок а также для обеспечения сигнализации и блокировки природного газа.
Вакуумметрическое давление (поз. 25-1) в аппарате погружного горения должно быть не менее -004 а также контролируется для обеспечения сигнализации и блокировки природного газа.
Давление известкового молока (поз. 26-1 27-1 28-1) в циркуляционном трубопроводе на входе в участок контролируется в диапазоне от 3 до 7 для контроля и сигнализации циркуляции известкового молока на сливе в цилиндрические резервуары ЦР1 ЦР4.
Давление технологической воды на входе в участок (поз. 29-1) контролируется в диапазоне от 3 до 4 .
Давление сжатого воздуха перед погружными горелками Г1 (поз. 30-1) и Г2 (поз. 31-1) контролируется в интервале от 5 до 20 для обеспечения сигнализации и блокировки природного газа.
4. Обоснование точек контроля уровня
Уровень в бункерах (поз. 32-1 33-1 34-1) должен не превышать 35 м чтобы избежать пересыпания известкового камня из бункеров Б1 3.
Уровень известкового молока в цилиндрических резервуарах (поз. 35-1 36-1 37-1 38-1) контролируется в диапазоне от 05 до 5 м чтобы избежать перелива известкового молока и чтобы избежать работу насосов качающих известковое молоко в холостом режиме.
Уровень известкового молока в промежуточных баках (поз. 39-1 40-1) контролируется в диапазоне от 05 до 3 м для того чтобы избежать перелива известкового молока.
Уровень в нагревательных отсеках (поз. 41-1 42-1) контролируется в диапазоне от 500 – 600 мм для предотвращения перелива нагреваемой воды из отсеков.
5. Обоснование точек контроля наличия пламени
Контроль наличия пламени на горелках Г1 (поз. 43-1) и Г2 (поз. 44-1) необходим для нормальной работы аппарата погружного горения и для отсечки природного газа при погасании пламени.
Обоснование и выбор контуров регулирования типа регуляторов
Автоматическое регулирование расхода нагретой воды поступающей из аппарата погружного горения в аппарат известигасительный (поз. 14-4). Это нужно для поддержания расхода нагретой воды на отметке 35 тч для того чтобы процесс гашения извести в аппарате известигасительном протекал в оптимальном режиме т.е. без «самоторможения».
Автоматическое регулирование расхода нагретой воды поступающей из пароводяного подогревателя в аппарат известигасительный (поз. 15-4). Это нужно для поддержания расхода нагретой воды на отметке 35 тч для того чтобы процесс гашения извести в аппарате известигасительном протекал в оптимальном режиме т.е. без «самоторможения».
Система автоматического регулирования соотношения «газ – воздух» (поз. 11-4) предназначена для поддержания соотношения расходов газа и воздуха поступающих в горелку Г1 и Г2 в заданной пропорции. На одну объемную часть газа приходится десять частей воздуха соотношение 1:10. регулирование соотношения осуществляется по воздуху. Регулирование осуществляется с помощью ПИ-регулятора поворотной заслонки и исполнительного механизма МЭО.
Автоматическое регулирование температуры горячей воды поступающей из пароводяных подогревателей ПП1 (поз. 8-3) и ПП2 (поз. 9-3) в аппарат известигасительный осуществляется изменением расхода пара для поддержания температуры в интервале от 50С до 70С. Это необходимо т.к. растворимость Са(ОН)2 в воде с повышением температуры снижается.
Автоматическое регулирование температуры горячей воды поступающей из аппарата погружного горения АПГ (поз. 6-3) в аппарат известигасительный осуществляется изменением объемного расхода природного газа для поддержания температуры в интервале от 50С до 70С. Это необходимо т.к. растворимость Са(ОН)2 в воде с повышением температуры снижается.
Автоматическое регулирование уровня в аппарате погружного горения (поз. 41-3) необходимо для поддержания уровня в диапазоне от 500 до 600 мм и для предотвращения перелива воды из нагревательных отсеков.
Обоснование параметров подлежащих сигнализации и блокировке
Схема сигнализации и отсечки природного газа на аппарат погружного горения необходима для предупреждения отрыва пламени и правильной работы горелок Г1 и Г2 и предотвращения взрывов газо-воздушной смеси в аппарате погружного горения т.е. для обеспечения безопасности.. Срабатывание происходит при достижении уставок давления природного газа (поз. 23-1 24-1) Рприр.г. 50 кПа > 120 кПа давления сжатого воздуха перед погружной горелкой Г1 и Г2 (поз. 30-1 31-1) Рвоздуха 50 кПа вакуумметрического давления после аппарата погружного горения (поз. 25-1) Рпосле АПГ 004 кПа и погасании пламени горелок (поз. 43-1 44-1).
Схема сигнализации предельных уровней в цилиндрических резервуарах (поз. 35-1 36-1 37-1 38-1) L 05 м и L> 50 м и в промежуточных баках (поз. 39-1 40-1) L 05 м и L> 30 м необходима для предотвращения перелива известкового молока из емкостей (сработка уставок по максимальному уровню) и для предотвращения неправильной работы песковых насосов.
Схема сигнализации предельных уровней в накопительных бункерах (поз. 32-1 33-1 34-1) предназначена для предотвращения пересыпа извести. Сигнализация срабатывает при достижении уровня L=35 м.
Сигнализация температуры в аппарате известигасительном (поз. 3-1) необходима для оптимального процесса гашения извести в аппарате известигасительном. Сработка по верхнему пределу более 70С а по нижнему пределу 50С.
Сигнализация наличия циркуляции известкового молока в циркуляционном трубопроводе (поз. 26-1 27-1 28-1) сигнализирует о прекращении стока известкового молока в цилиндрические резервуары.
Схема сигнализации уровней в аппарате погружного горения (поз. 41-1 42-1) сигнализирующая о превышении уровня в нагревательных отсеках
Проведение активного эксперимента. Получение динамических характеристик
Целью проведения эксперимента является нахождение передаточных функций основного и внутреннего каналов математической модели объекта исследования (аппарат погружного горения) по полученным кривым разгона. Для каждого канала в отдельности ставятся эксперименты смысл которых заключается в нанесении управляющего воздействия на вход канала и при помощи контрольно-измерительной аппаратуры регистрируются изменения выходной величины канала во времени (т.е. кривые разгона).
Рисунок №1 Структурная схема эксперимента
– передаточная функция основного канала;
– передаточная функция внутреннего канала;
Для расчёта системы снимем следующие кривые разгона переходных процессов:
)изменение положения регулирующего органа на трубопроводе природного газа – температура воды на выходе из АПГ ;
)изменение положения регулирующего органа на трубопроводе природного газа – расход природного газа .
Перед проведением эксперимента все регуляторы установим в положение «ручное». Проконтролируем чтобы все параметры объекта находились в установившемся состоянии. В период проведения эксперимента будем засекать время с момента подачи возмущения до момента изменения реагирующего параметра (время чистого запаздывания). В течение эксперимента снимаем значения изменяющегося параметра через равные интервалы времени до тех пор пока он не установится.
Снятие первой кривой разгона. Изменим положение регулирующего органа на трубопроводе природного газа – открыв на 5%. Температура воды до проведения эксперимента составляла 65С а после возмущения 71С. Время эксперимента сек. Запаздывание сек.
Координаты динамической характеристики по основному каналу
Температура воды на выходе из АПГ С
Рисунок №2 Динамическая характеристика по основному каналу
Снятие второй кривой разгона. Изменим положение регулирующего
органа на трубопроводе природного газа – открыв на 5%. Расход природного газа до проведения эксперимента составлял 320 а после возмущения 358 . Время эксперимента сек. Запаздывание сек.
Координаты динамической характеристики по внутреннему каналу
Расход природного газа
Рисунок № 3 Динамическая характеристика по внутреннему каналу
Произведем обработку кривой разгона основного канала.
Рассчитаем коэффициент передачи объекта для статического (установившегося) режима:
где - изменение выходной величины (температуры)
- начальное значение температуры (С)
- конечное (установившееся) значение температуры (С)
- номинальное (максимально возможное) значение температуры
- изменение степени открытия РО единичным скачком на 5%
- номинальная (максимальная) степень открытия РО=100%.
Произведем линеаризацию сглаживание по трем точкам и нормирование кривой разгона используя программу «Идентификация объектов управления».
Координаты нормированной динамической характеристики по основному каналу
Рисунок № 4 Нормированная кривая разгона по основному каналу
Для получения передаточной функции по основному каналу используем программу «Идентификация объектов управления».
Передаточная функция основного канала равна:
Производим проверку аппроксимации нормированной кривой разгона основного канала для чего получаем аналитическое выражение переходного процесса по передаточной функции в программе «Калькулятор передаточных функций». Получим корни передаточной функции:
Корни аналитического выражения
Аналитическое выражение переходного процесса представляет собой следующее выражение:
По полученному выражению строим график кривой разгона и сравниваем его с нормированной кривой разгона .
Рисунок № 5 Нормированная кривая разгона и рассчитанная по основному каналу.
Произведем обработку экспериментальной кривой разгона внутреннего канала.
где - изменение выходной величины (расхода природного газа)
- начальное значение расхода ()
- конечное (установившееся) значение расхода ()
- номинальное (максимально возможное) значение расхода
- изменение входного сигнала (степени открытия РО) единичным скачком на 5%
Произведем нормирование кривой разгона используя программу «Идентификация объектов управления».
Координаты нормированной динамической характеристики по внутреннему каналу
Рисунок № 6 Нормированная кривая разгона по внутреннему каналу
Найдем передаточную функцию внутреннего канала Передаточная функция о канала равна:
Рисунок № 7 Нормированная кривая разгона и рассчитанная по внутреннему каналу.
Произведем расчет относительной погрешности аппроксимации по основному и внутреннему каналу. Расчет будем производить по формуле:
Данные по расчету приведены в таблице № 6.
Сравнительный анализ по основному и внутреннему каналу
По основному каналу %
По внутреннему каналу %
Максимальная ошибка аппроксимации по основному каналу: 47% а по внутреннему 0739% то есть не превышают 5% что свидетельствует о том что полученные ранее передаточные функции достаточно точно отражают свойства объекта управления и могут быть использованы для дальнейших расчетов.
Обоснование и выбор системы автоматизации технологического процесса
Автоматическое регулирование температуры горячей воды поступающей из аппарата погружного горения в аппарат известигасительный осуществляется изменением объемного расхода природного газа для поддержания температуры в интервале от 50С до 70С. Это необходимо для того чтобы процесс гашения извести в аппарате известигасительном протекал в оптимальном режиме т.е. без «самоторможения» т.к. растворимость Са(ОН)2 в воде с повышением температуры снижается.
Для осуществления данной системы регулирования необходимо сконфигурировать на контроллерах SIMATIC S7-300 каскадный контур регулирования температуры воды на выходе из аппарата погружного горения.
Для системы автоматического регулирования выбираем контроллеры SIMATIC S7-300. Выбор данного типа контроллера обусловлен его компактностью многофункциональностью универсальностью в плане решаемых задач.
Для регулирования температуры будем использовать механизмы
Расчет одноконтурной системы регулирования
Рисунок №8 Структурная схема одноконтурной системы автоматического регулирования
– передаточная функция ведомого регулятора;
– заданное значение температуры;
– выходная величина объекта регулирования (температура воды на выходе из АПГ);
– управляющее воздействие приложенное к подаче топлива.
Передаточная функция по основному каналу:
С помощью программы «LINREGTV» используя метод Ротача В.Я. для ПИ-регулятора определяем оптимальные настройки по основному каналу.
В результате расчета получили следующие данные для ПИ-регулятора:
коэффициент пропорциональности нормированный
коэффициент пропорциональности абсолютный
время дифференцирования
критическая частота
Передаточная функция ПИ-регулятора имеет вид:
где - время интегрирования которая определяется по формуле:
Расчет каскадной системы регулирования
Рисунок № 9 Структурная схема каскадной системы автоматического регулирования
– передаточная функция ведущего регулятора;
– вспомогательная величина объекта регулирования (расход природного газа);
Передаточная функция по внутреннему каналу:
С помощью программы «LinregTV» используя метод Ротача В.Я. определяем оптимальные настройки стабилизирующего ПИ-регулятора и его передаточную функцию для внутреннего канала .
В результате расчета получили следующие данные:
где - время интегрирования которая определяется по формуле (10):
Для дальнейших расчетов необходимо определить инерционность внутреннего контура относительно основного контура. Для этого сравниваем нормированную кривую разгона по основному каналу и переходной процесс внутреннего канала по возмущению h(t) который построим по передаточной функции и полученным настройкам регулятора в программе «LinregTV».
Рисунок № 10 Графики нормированной кривой разгона по основному каналу и переходного процесса внутреннего канала по возмущению
Из рисунка № 10 видно что инерционность внутреннего контура значительно ненамного меньше инерционности нормированной кривой разгона тогда передаточную функцию эквивалентного регулируемого участка для регулирования регулятора может быть найдена из следующей формулы:
В результате расчета получаем:
С помощью программы «LinregTV» используя метод Циглера-Никольса определяем оптимальные настройки корректирующего ПИД-регулятора и его передаточную функцию для эквивалентного объекта .
Передаточная функция ПИД-регулятора имеет вид:
По формуле (10) рассчитаем время интегрирования:
По формуле (15) рассчитаем время дифференцирования:
Моделирование и получение динамических характеристик систем автоматического регулирования
Для моделирования переходных процессов в рассчитанных системах автоматического регулирования будем использовать программу «MATLAB».
Построим переходные процессы по заданию и возмущению одноконтурной системы автоматического регулирования (рисунок №12 №14) каскадной системы автоматического регулирования (рисунок №20 №22) и переходные процессы во внутреннем контуре каскадной системы регулирования (рисунок №16 №18). Структурные схемы систем автоматического регулирования изображены на рисунках №№ 11 13 15 17 19 21.
Сравнение динамических характеристик систем автоматического регулирования
Сравнение динамических характеристик систем автоматического регулирования будем производить по прямым показателям качества которые показывают насколько точно и как быстро в системе устанавливается равновесие после нанесения ступенчатого возмущения.
Статическая ошибка регулирования определяется по формуле: (16)
Динамическая ошибка регулирования определяется по формуле: (17)
Время регулирования – это время в течении которого регулируемая величина достигает нового установившегося значения с заданной точностью
Полученные результаты сведем в таблицу № 7:
Прямые показатели качества одноконтурной и каскадной систем регулирования
Тип системы регулирования
Качество регулирования считается выше если меньше время регулирования динамическая и статическая ошибки. По таблице №7 видим что каскадная система регулирования обладает меньшим временем регулирования намного меньшей динамической характеристикой по возмущению и незначительно большей динамической характеристикой по заданию чем одноконтурная система. Статическая ошибка в обеих системах регулирования равна нулю. Поэтому для автоматического регулирования температуры воды на выходе из аппарата погружного горения будем использовать каскадную систему регулирования.
Реализация рассчитанной системы автоматизации. Выбор технических средств автоматизации. Выбор и разработка программных средств.
Реализацию рассчитанной системы автоматического регулирования будем осуществлять с помощью программируемого контроллера «SIMATIC S7-300». Программируемый контроллер «S7» состоит из источника питания CPU и модулей ввода и вывода. В программном обеспечении STEP 7 имеется три языка программирования список операторов - STL функциональный план - FBD контактный план - LAD. Можно спокойно переходить от одного языка программирования к другому подбирая наиболее подходящий язык для конкретного блока который необходимо программировать.
Выбор технических средств автоматизации.
Для измерения температуры на выходе из аппарата погружного горения будем использовать
Измерение расхода природного газа будем осуществлять по методу переменного перепада давления так как он наиболее простой и дешевый. В качестве первичного преобразователя будем использовать датчик переменного перепада давлений «Метран – 100 - ДД» с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА который обеспечивает искробезопасную цепь а так же обладают возможностью контролировать текущее значение измеряемого параметра по месту (по жидкокристаллическому дисплею датчика) что необходимо для управления газоопасным и взрывоопасным объектом.
Для регулирования расхода природного газа будем использовать шаровой кран КВО с электроприводом фирмы AUMA - ASR 12. Электроприводы типов ASR 12 можно комбинировать с различными системами управления. От простого управления ОТКРЫТЬ-ЗАКРЫТЬ до микро управляемой версии с фиксированием рабочих данных или цифрового интерфейса. AUMA приводы типа ASR управляются от узла управления VARIOMATIC MC. Узел управления монтируется непосредственно на приводе. В узел управления AUMA VARIOMATIC MC входят следующие составные части:
блок питания (AUMA VARIOMATIC блок питания);
силовая электроника для управления двигателем;
плата микроконтроллера;
плата сигнализации и обслуживания пульт местного управления ключ-селектор.
Входной сигнал 4 – 20 мА. Сигнал положения от привода 4 – 20 мА на вход VARIOMATIC MC. Выходной сигнал на «SIMATIC S7-300» 4 – 20 мА.
Для измерения температуры будем использовать ТСМУ 205 Ех с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА. Номинальная статическая характеристика – 50М. Пределы измерения от 0 до +180 градусов.
Реализацию рассчитанной каскадной системы автоматического регулирования будем осуществлять с помощью программируемого контроллера «SIMATIC S7-300» для программирования которого применяется пакет STEP 7.
Контроллер «SIMATIC S7-300» состоит из:
блок питания PS 307 2A;
процессор CPU 313C включающий в себя 5 аналоговых входов и 2 аналогового выхода 18 дискретных входов и 16 дискретных выходов;
панель оператора SIMATIC OP 170B;
Выбор и разработка программных средств. Для реализации рассчитанной системы регулирования используем программное обеспечение STEP 7. Для этого сначала в программу S7 вставляем системный функциональный блок SFB с блоком данных DB. SFB находятся в стандартной библиотеке (Standard Library) в разделе "System Function Blocks [Системные функциональные блоки]".
Запустим экранные формы для параметризации с помощью SIMATIC STEP7 Configure PID Control [Параметризация PID-регулятора]
Откроем PID-Controll с помощью команды меню File > Open [Файл >Открыть] свой проект и выберем свой блоком данных DB.
Установимте свои параметры.
Сохраним эти параметры (находятся в блоком данных DB) и загрузим программу в свои CPU.
SFB "CONT_C" (continuous controller [непрерывный регулятор]) служит для управления техническими процессами с непрерывными входными и выходными величинами в системах автоматизации SIMATIC S7.
Этот регулятор можно использовать отдельно как стабилизирующий PID-регулятор или в многоконтурных системах управления в качестве каскадного регулятора для регулирования состава смеси или соотношения. Принцип действия основан на алгоритме ПИД-регулирования дискретного регулятора с аналоговым выходным сигналом дополненного в случае необходимости формирователем импульсов для формирования широтно-импульсных выходных сигналов для двух- или трехпозиционных систем регулирования с пропорциональными исполнительными устройствами.
Наряду с функциями в ветвях задающего и фактического значений этот SFB реализует готовый ПИД-регулятор с непрерывным выводом управляющего воздействия и возможностью ручного управления.
Ветвь задающего значения. Задающее значение вводится на входе SP_INT в формате с плавающей точкой.
Ветвь фактического значения. Фактическое значение может считываться в периферийном формате и в формате с плавающей точкой. Функция CRP_IN преобразует периферийное значение PV_PER в формат с плавающей точкой от -100 до +100 % по следующей формуле:
Функция PV_NORM нормирует выход CRP_IN по следующей формуле:
где по умолчанию имеет значение 1 а значение 0. Величины и получаются из этих формул следующим образом:
Преобразование в проценты не является настоятельно необходимым. Если задающее значение должно быть представлено физически то и фактическое значение тоже может быть преобразовано к этому физическому представлению.
Формирование рассогласования.
Разность заданного и фактического значения образует рассогласование. Для подавления небольших постоянных колебаний из-за дискретизации управляющего воздействия рассогласование пропускается через зону нечувствительности (). При зона нечувствительности выключается.
ПИД-алгоритм работает как настраиваемый алгоритм. Пропорциональная интегральная () и дифференциальная () части включены параллельно и могут включаться и выключаться по отдельности. Благодаря этому можно установить с помощью параметризации П- ПИ- ПД- и ПИД-регулятор. Но возможны также чистый И-регулятор или чистый Д-регулятор.
Можно переключаться между ручным и автоматическим режимом. В ручном режиме управляющее воздействие отслеживает значение вводимое вручную. Интегратор () внутренне устанавливается на а дифференциатор () устанавливается на 0 и они внутренне подстраиваются. Благодаря этому переключение в автоматический режим происходит плавно.
Обработка управляющего воздействия. Управляющее воздействие ограничивается задаваемыми значениями с помощью функции . Нарушение границ входной величиной отображается индикаторными битами.
Функция нормирует выход LMNLIMIT в соответствии со следующими правилами:
по умолчанию имеет значение 1 а – 0. Управляющее воздействие имеется в распоряжении также в периферийном формате. Функция преобразует значение с плавающей точкой в периферийное значение по следующей формуле:
Подключение возмущающего воздействия. На входе может быть аддитивно подключено возмущающее воздействие.
Инициализация. SFB "CONT_C" снабжен программой инициализации которая выполняется если входной параметр установлен на . Интегратор при инициализации внутренне устанавливается на начальное значение . При вызове на уровне циклических прерываний он продолжает работать от этого значения. Все остальные выходы устанавливаются на свои значения по умолчанию.
Блок схема SFB "CONT_C" изображена на рисунке № 23.
Входные параметры SFB 41 "CONT_C" содержит таблица №8:
Входные параметры SFB 41 "CONT_C
COMPLETE RESTART [Полный перезапуск]. Блок имеет программу инициализации которая обрабатывается если вход COM_RST установлен.
TRUE: Новый пуск. FALSE: Режим регулирования
MANUAL VALUE ON. Включение ручного режима
Если вход «Включение ручного режима» установлен то контур регулирования разорван. В качестве управляющего воздействия устанавливается значение заданное вручную.
PROCESS VARIABLE PERIPHERY ONВключение чтения переменной процесса с периферии Если фактическое значение должно считываться с периферии то вход PV_PER должен быть соединен с периферией а вход «Включение чтения переменной процесса с периферии» должен быть установлен.
PROPORTIONAL ACTION ON
Включение пропорциональной
Составляющей.В ПИД-алгоритме составляющие ПИД
могут включаться и отключаться по отдельности. Пропорциональная составляющая включена если установлен вход «Включение пропорциональной составляющей».
Включение интегральной Составляющей в ПИД-алгоритме составляющие ПИД могут включаться и отключаться по отдельности. Интегральная составляющая включена если установлен вход «Включение интегральной составляющей».
INTEGRAL ACTION HOLD Фиксация интегральной составляющей. Выход интегратора может быть зафиксирован. Для этого должен быть установлен вход "Фиксация интегральной составляющей".
INITIALIZATION OF THE INTEGRAL ACTION. Инициализация интегральной составляющей. Выход интегратора может быть установлен в соответствии с входом I_ITLVAL. Для этого должен быть установлен вход "Инициализация интегральной составляющей".
DERIVATIVE ACTION ON Включение дифференциальной составляющей. В ПИД-алгоритме составляющие ПИД могут включаться и отключаться по отдельности. Дифференциальная составляющая включена если
установлен вход "Включение
дифференциальной составляющей".
SAMPLE TIME. Время опроса
Время между вызовами блока должно быть постоянным. Вход «Время опроса» указывает время между вызовами блока.
INTERNAL SETPOINT Внутреннее задающее значение Вход «Внутреннее задающее значение» служит для установления задающего значения.
-100.0..100.0 (%) или физическая. величина 1)
PROCESS VARIABLE IN. Ввод фактического значения. На входе «Ввод фактического значения» может быть установлено при параметризации значение необходимое при вводе в действие или подключено внешнее фактическое значение.
-100.0..100.0 (%) или физическая
PROCESS VARIABLE PERIPHERY. Фактическое значение –периферия. Фактическое значение в периферийном формате на входе «Фактическое значение - периферия» соединяется с регулятором.
MANUAL VALUE. Значение устанавливаемое вручную. Вход «Значение устанавливаемое вручную» служит для задания значения устанавливаемого вручную посредством функции управления и наблюдения.
PROPORTIONAL GAIN. Пропорциональная составляющая. Вход «Пропорциональная составляющая» задает коэффициент усиления регулятора.
Смысл действия регулятора зависит от знака
RESET TIME. Время интегрирования Вход «Время интегрирования» определяет временную характеристику интегратора.
DERIVATIVE TIME. Время воздействия по производной Вход «Время воздействия по производной» определяет временную характеристику дифференциатора.
TIME LAG OF THE DERIVATIVE ACTION. Время запаздывания дифференцирующей составляющей Алгоритм Время запаздывания дифференцирующей составляющей содержит запаздывание которое может быть установлено при параметризации на входе "Время запаздывания дифференцирующей составляющей".
DEAD BAND WIDTH. Ширина зоны нечувствительности Рассогласование регулятора пропускается через зону нечувствительности. Вход «Ширина зоны нечувствительности» определяет величину зоны нечувствительности.
MANIPULATED VALUE HIGH
LIMIT. Верхняя граница управляющего воздействия Управляющее значение всегда ограничено сверху и снизу. Вход «Верхняя граница управляющего воздействия» указывает верхнюю границу.
MANIPULATED VALUE LOW
LIMIT. Нижняя граница управляющего воздействия Управляющее значение всегда ограничено сверху и снизу. Вход «Нижняя граница управляющего воздействия» указывает нижнюю границу.
PROCESS VARIABLE FACTOR. Коэффициент при фактическом значении. Вход «Коэффициент при фактическом значении» умножается на фактическое значение. Вход служит для согласования с областью фактических значений.
PROCESS VARIABLE OFFSET. Сдвиг фактического значения Вход «Сдвиг фактического значения» складывается с фактическим значением. Вход служит для согласования с областью фактических значений.
MANIPULATED VALUE FACTOR. Коэффициент при управляющем воздействии Вход «Коэффициент при управляющем воздействии» умножается на управляющее воздействие. Вход служит для согласования диапазона управляющих воздействий
MANIPULATED VALUE OFFSET. Сдвиг управляющего воздействия Вход «Сдвиг управляющего воздействия» складывается с управляющим воздействием. Вход служит для согласования диапазона управляющих воздействий.
INITIALIZATION VALUE OF THE INTEGRAL ACTION. Начальное значение для интегральной составляющей На входе I_ITL_ON может быть установлен выход интегратора. На входе «Начальное значение для интегральной составляющей» стоит инициализирующее значение.
DISTURBANCE VARIABLE. Возмущающее воздействие. Для подключения возмущающего воздействия оно соединяется с входом «Возмущающее воздействие».
Выходные параметры SFB 41 "CONT_C" содержит таблица № 9:
Выходные параметры SFB 41 "CONT_C
MANIPULATED VALUE Управляющее воздействие. На выходе «Управляющее воздействие» выводится эффективно действующее управляющее воздействие в формате с плавающей точкой.
PERIPHERY Управляющее воздействие – периферия. Управляющее воздействие в периферийном формате на выходе «Управляющее воздействие - периферия» соединяется с регулятором.
HIGH LIMIT OF MANIPULATED VALUE REACHED Нарушена верхняя граница управляющего воздействия. Управляющее воздействие всегда ограничено сверху и снизу. Выход «Нарушена верхняя граница управляющего воздействия» сообщает о пересечении верхней границы.
LOW LIMIT OF MANIPULATED VALUE
REACHEDНарушена нижняя граница управляющего воздействия. Управляющее воздействие всегда ограничено сверху и снизу. Выход «Нарушена нижняя граница управляющего воздействия» сообщает о пересечении нижней границы.
PROPORTIONALITY COMPONENT Пропорциональная составляющая Выход «Пропорциональная составляющая» содержит пропорциональную составляющую управляющего воздействия.
INTEGRAL COMPONENT. Интегральная составляющая Выход «Интегральная составляющая» содержит интегральную составляющую управляющего воздействия.
DERIVATIVE COMPONENT. Дифференциальная составляющая Выход "Дифференциальная составляющая" содержит дифференциальную составляющую управляющего воздействия.
PROCESS VARIABLE. Фактическое значение. На выходе "Фактическое значение" выводится эффективно действующее фактическое значение.
ERROR SIGNAL. Рассогласование. На выходе "Рассогласование" выводится эффективно действующее рассогласование.

АТП схема автоматизации.cdw

или со склада извести
Аппарат известигасительный АИ-2
Классификатор односпиральный КС-2-7
Бункер-промежуточный
Подогреватель пароводяной двухходовой
Насос центробежный с электродвигателем
Аппарат погружного горения АПГ
Насос песковый с осевым входом ПА100-19552
Газорегуляторный пункт шкафной ГСГО-2С
Горелка газовая ГНП-9АП
Стальной вертикальный цилиндрический резервуар
Наименование среды в трубопроводе
Отработаные горячие газы
Вода технологическая горячая
Вода технологическая холодная
Песок на хозяйственные
Отделение по приготовлению
Экспликация оборудования
Экспликация трубопроводов

КОНЕЧНЫЙ КУРСОВОЙ ПО АТП.doc

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
Березниковский филиал
Кафедра Автоматизация технологических процессов
Описание технологического процесса гашения извести . .. ..4
1 получение известкового молока ..4
2 Описание технологической схемы . 5
Общая характеристика выбранного объекта регулирования . .7
Анализ объекта регулирования с точки зрения
действующих возмущений ..9
Обоснование и выбор точек и параметров контроля
технологического процесса 10
1. Обоснование точек контроля температуры .10
2. Обоснование точек контроля расхода ..11
3. Обоснование точек контроля давления 12
4. Обоснование точек контроля уровня 12
5. Обоснование точек контроля наличия пламени ..13
Обоснование и выбор контуров регулирования типа регуляторов .13
Обоснование параметров подлежащих сигнализации и блокировке 14
Проведение активного эксперимента. Получение динамических характеристик 15
Обоснование и выбор системы автоматизации
технологического процесса ..24
Расчет одноконтурной системы регулирования 25
Расчет каскадной системы регулирования ..26
Моделирование и получение динамических характеристик САР .29
Сравнение динамических характеристик САР 29
Реализация рассчитанной системы автоматизации. Выбор
технических средств автоматизации. Выбор и разработка
программных средств 31
Участок гашения извести входит в состав отделения по производству известкового молока и предназначен для получения поглотительных сорбентов используемых для очистки от вредных веществ отходящих газов и промышленных стоков.
Участок гашения извести был введен в работу в 1965 году. В 1990 году была произведена реконструкция участка целью которой являлось установка трех ниток гашения следующая реконструкция участка гашения извести была произведена в 2001 году для увеличения его производительности.
Описание технологического процесса гашения извести
1 Получение известкового молока
Получение известкового молока заключается в процессе гашения извести при перемешивании с горячей водой. Гашение извести водой протекает по реакции:
СаО + Н2О = Са(ОН)2 + 1593*419 кДж.
Гидратация оксида кальция является обратимой реакцией направление которой зависит от температуры и давления водяных паров в окружающей среде. Упругость паров при диссоциации Са(ОН)2 на СаО и Н2О достигает атмосферного давления при температуре 547 0С следует учесть что гидроксид кальция начинает разлагаться и при более низкой температуре. Для того чтобы процесс шел в нужном направлении то есть чтобы не происходило диссоциации гидроксида кальция нужно повышать температуру реакции для увеличения упругости водяных паров над Са(ОН)2 но и не допускать слишком высокой температуры реагентов. Однако слишком сильное охлаждение реакционной зоны может замедлить процесс получения Са(ОН)2. Оптимальный диапазон температур находится в интервале от 50 до 80 0С.
Большое значение при гашении извести имеет температура подаваемой на гашение воды так как растворимость Са(ОН)2 в воде с повышением температуры снижается. Получение Са(ОН)2 является экзотермической реакцией избыточная вода при гашении извести нагревается в результате реакции. Следствием этого является выпадение Са(ОН)2 в осадок выпавший в осадок Са(ОН)2 обволакивает не прореагировавшие частицы СаО тем самым препятствуя соприкосновению воды с оксидом кальция.
При снижении скорости гашения а в дальнейшем и прекращении самого процесса температура реакционной зоны снижается. Снижение температуры воды увеличивает растворимость Са(ОН)2 пленка на негашеной извести растворяется и реакция возобновляется.
Наличие явления «самоторможения» в процессе гашения указывает на необходимость проведения данного процесса при постоянной температуре реакционной смеси.
Примеси присутствующие в исходном сырье при обжиге взаимодействуют с СаО образуя силикаты алюминаты ферриты. При гашении данные примеси снижают способность извести к гидратации они вступают в реакцию с водой образуя гидросиликаты гидроалюминаты кальция. Процесс сопровождается набуханием и образованием желеобразной массы состоящей из данных соединений.
При длительном хранении на открытом воздухе негашеной извести наблюдается явление пассивации то есть происходит гашение влагой воздуха на поверхности СаО и образование Са(ОН)2 которая в свою очередь взаимодействует с атмосферным воздухом образуя карбонат кальция. Пленка карбоната изолирует СаО от воздействия влаги препятствуя самопроизвольному гашению. Активность извести зависит от размеров кристаллов СаО и степени повреждения кристаллической решетки.
2 Описание технологической схемы
Известь на участок гашения направляется с помощью ленточных транспортеров и сбрасывается подвижными плужками в какой либо из рабочих бункеров (поз. Б1 Б2 Б3) в зависимости от наличия в них свободного места.
Из рабочих бункеров (поз. Б1 Б2 Б3) известь лотковыми питателями транспортируется в загрузочную часть аппарата гашения извести (поз. АИ)
. Аппарат гашения извести (далее АИ – аппарат известегасительный) представляет собой цилиндрический барабан вращающийся на роликах с частотой вращения от 3 до 4 оборотов в минуту. В загрузочную часть АИ также поступает горячая вода с температурой (6010)°С.
Внутренняя поверхность барабана по всей длине имеет направляющие пластины установленные винтообразным образом под углом около 12° к цилиндрообразующей барабана благодаря чему известь поступающая в загрузочную часть перемещается вдоль оси барабана к выгрузной части.
Для удаления не прогасившихся кусков извести (далее недопала) выгрузочная часть снабжена специальным устройством в виде спирали. При помощи спирали недопал удаляется из АИ на транспортер сортируется по фракциям на решетке классификатора а затем крупная фракция с размерами частиц от 60 мм и более транспортируется в бункер - накопитель крупного недопала. По мере заполнения бункера крупного недопала крупный недопал разгружается на транспортерную ленту и направляется в расходные бункера печей. Куски недопала размером в поперечники менее 60 мм проваливаются через решетку классификатора в бункер – накопитель мелкого недопала и вывозятся автотранспортом на полигон твердых отходов или используются для хозяйственных нужд комбината.
Известковое молоко через решетку в выгрузной части АИ поступает в спиральный классификатор (поз. КС1 КС2) корпус классификатора представляет собой сварное полуцилиндрической формы наклонное корыто оборудованное спиралью (далее шнеком).
С помощью шнека происходит отделение фракции песков (пески – мелкая твердая фракция в составе которой мелкая фракция недопала и нерастворимые карбонаты). Спираль является транспортирующим механизмом и служит для перемещения крупного класса песков из зоны осаждения к разгрузочному лючку классификатора. По мере продвижения от зеркала осаждения до разгрузочного лючка происходит обезвоживание песков. Известковое молоко от классификаторов поступает в промежуточные баки (поз. БП1 БП2) номинальной вместимостью 16м3. Из промежуточных баков известковое молоко песковыми насосами с осевым входом (поз. НП1 НП2 НП3 НП4) перекачивается через 2 пары гидроциклонов (поз. ГЦ1 ГЦ2 ГЦ3 ГЦ4) в расходные баки – сборники (поз. ЦР1 ЦР2 ЦР3 ЦР4) номинальной вместимостью 380м3. В гидроциклонах происходит более тонкая очистка пески с некоторым количеством известкового молока из нижней части гидроциклонов удаляются в классификаторы (поз. КС1 КС2) где отделяются от известкового молока затем вывозятся автотранспортом для использования в строительстве и для хозяйственных нужд комбината а очищенное молоко в промежуточный бак (поз. БП1 БП2) и затем в цилиндрические резервуары (поз. ЦР1 ЦР2 ЦР3 ЦР4). В процессе получения известкового молока используется оборотная вода которая поступает из трубопровода комбината.
Подогрев воды для гашения извести осуществляется в аппарате погружного горения (поз. АПГ). При необходимости подогрев воды можно вести в подогревателях пароводяных (поз. ПП1 ПП2).
Известковое молоко из цилиндрических резервуарах песковыми насосами с осевым входом (поз. НП5 НП6) непрерывно транспортируется в кольцевые трубопроводы образующих большое и малое кольцо и трубопровод для снабжения газоочистки №5 и очистных сооружениях. Из большого кольца через индивидуальные отводы осуществляется подача известкового молока в баки циркуляции газоочистных сооружений №134 а через малое кольцо № 12.
Общая характеристика выбранного объекта регулирования
Аппарат погружного горения представляет собой в соответствии с проектом горизонтально расположенный цилиндр диаметром 1912мм и длиной 5300мм с торцевыми днищами в виде усеченных конусов. Корпус аппарата погружного горения разделен на три части двумя перегородками высотой 1210мм. По краям корпуса расположены нагревательные отсеки куда вставляются погружные горелки. В каждом отсеке врезан патрубок для подачи холодной воды. В средней части корпуса находится отсек для сбора горячей воды через нижнюю часть этого отсека производится отбор воды в верхней части находится расширитель для сепарации капель со стороны расширителя врезан люк Ду – 800 для установки предохранительной взрывной мембраны. Из верхней части расширителя через переходник осуществляется отвод парогазовой смеси.
Высокотемпературные продукты сгорания топлива выводятся из нижнего выпускного отверстия жаровой трубы горелки под уровень воды барботируют через нее образуя развитую поверхность теплообмена в виде пузырьков и передают тепло воде. Для улучшения дымовых газов по объему на корпусе жаровой трубы предусмотрена барботажная решетка. Дымовые газы охлажденные до определенной температуры уходят по дымовому тракту через аспирационную установку (АТУ-1) в атмосферу.
Горячая вода из отсека сбора насосом частично подается на аппараты гашения извести а частично с объемным расходом около 18 м3ч на охлаждение жаровой трубы погружного устройства.
Краткая характеристика аппарата погружного горения и погружной горелки сведена в таблице № 1.
Характеристика аппарата погружного горения
Наименование оборудования
Краткая характеристика оборудования
Аппарат погружного горения
Мощность по теплу Гкалч 39
Производительность м3ч 40
Глубина погружения горелки мм 500
Объем аппарата м3 165
Рабочий объем воды м3 96
Топливо – природный газ
Температура нагрева воды 0С 60-80.
Номинальная тепловая мощность
Номинальный объемный расход газа м3сек 007
Номинальное давление газа мм.вод.ст. 500
Номинальная длинна факела мм 2 270
Коэффициент регулирования 10
Глубина погружения жаровой трубы под уровень воды мм 500
Анализ объекта регулирования с точки зрения действующих возмущений
Для расчета выбран контур автоматического регулирования температуры воды на выходе из АПГ в диапазоне 60±10 С так как температура подаваемой на гашение воды имеет большое значение при гашении извести так как растворимость Са(ОН)2 в воде с повышением температуры снижается. Нагрев воды зависит от следующих показателей:
)количество подаваемого топлива в аппарат погружного горения т.е. расход природного газа от которого напрямую зависит температура;
)начальная температура холодной воды поступающей в аппарат погружного горения;
)расход сжатого воздуха;
)соотношение «газ - воздух» (1:10) необходимое для реакции горения метана;
)разряжение в АПГ так как влияет на температуру парогазовой смеси над поверхностью воды (отбор воды осуществляется при переливе ее через перегородки из нагревательных отсеков в отсек отбора воды т.е. с поверхности столба жидкости в нагревательного отсека);
)расход холодной воды.
На процесс нагрева воды в аппарате погружного горения действуют следующие возмущения:
)разряжение в АПГ так как влияет на температуру парогазовой смеси над поверхностью воды;
)начальная температура холодной воды поступающей в аппарат погружного горения т.к. она не поддается регулированию;
)температура окружающей среды она не поддается регулированию и влияет на температуру воды в АПГ через стенку (температуру окружающей среды не будем учитывать так как она не сильно влияет на температуру внутри аппарата погружного горения).
Для автоматического регулирования температуры на выходе из аппарата погружного горения выбираем систему состоящую из следующих контуров:
корректирующего контура регулирования по температуре;
стабилизирующего контура регулирования расхода природного газа (температура в АПГ непосредственно зависит от расхода природного газа с увеличением расхода увеличивается температура- прямая зависимость);
Обоснование и выбор точек и параметров контроля технологического процесса
1. Обоснование точек контроля температуры
Температура природного газа до и после ГРУ (поз. 1-1 2-1 ) подлежит контролю. Расход природного газа является хозрасчетным параметром. Для точного измерения расхода природного газа необходимо знать его температуру. Газы при разной температуре имеют разный объем в большей степени чем другие среды. Поправка осуществляется с помощью ПВЭМ.
Температура в известигасительным аппарате (поз. 3-1) подлежит контролю так как явления «самоторможения» в процессе гашения извести указывает на необходимость проведения данного процесса при постоянной температуре реакционной смеси. Температура поддерживается в интервале 50-70ºС.
Температура пара (поз. 4-1) поступающего в подогреватели пароводяные для нагрева воды должна контролироваться в диапазоне от 130 до 150 С для осуществления нагрева воды до нужной температуры.
Температура отходящих газов (поз. 5-1) должна контролироваться в диапазоне от 60 до 90 С.
Температура горячей воды на выходе из аппарата погружного горения (поз. 6-1) необходимо контролировать так как является качественным показателем процесса. Температура горячей воды должна быть в диапазоне 60±10 С.
Температура технологической воды (поз. 7-1) поступающей в аппарат погружного горения и в подогреватели пароводяные необходимо контролировать в диапазоне от 5 до 25 С.
Температура горячей воды на выходе из пароводяных подогревателей (поз. 8-1 9-1) необходимо контролировать так как является качественным показателем процесса. Температура горячей воды должна быть в диапазоне 60±10 С.
2. Обоснование точек контроля расхода
Расход природного газа до и после ГРУ (поз. 10-1 11-1) подлежит контролю так как является хозрасчетным параметром 200-500 .
Расход воздуха (поз. 12-1) необходимо контролировать в диапазоне от 2000 до 5000 . Это необходимо для нормального горения природного газа и поддержания соотношения «газ-воздух» 1:10.
Расход пара (поз. 13-2) поступающего в подогреватели пароводяные
-7 так как является хозрасчетной величиной.
Расход горячей воды на входе в аппарат известигасителный (поз. 14-1 15-1) 35 .
Расход воды (поз. 16-1) поступающей на подогреватели пароводяные и на аппарат АПГ контролируется в диапазоне от 40 до 120 .
Расход известкового молока (поз. 17-1 18-1 19-1) для учета поглотительного сорбента поступающего по газоочисткам и на очистные сооружения.
3. Обоснование точек контроля давления
Давление природного газа до и после ГРУ (поз. 20-1 21-1) подлежит контролю для введения поправки на значение общего расхода природного газа. Значение давления газа в газопроводах влияет на точность измерения расхода газа. Расход природного газа – хозрасчетный параметр. Необходимо обеспечить точность его измерения.
Давление пара (поз. 22-1) контролируется в диапазоне от 3 до 4 для введения поправки на значение общего расхода пара поступающего в подогреватели пароводяные.
Давление природного газа перед горелками Г1 и Г2 (поз. 23-1 24-1) контролируется для правильной работы горелок а также для обеспечения сигнализации и блокировки природного газа.
Вакуумметрическое давление (поз. 25-1) в аппарате погружного горения должно быть не менее -004 а также контролируется для обеспечения сигнализации и блокировки природного газа.
Давление известкового молока (поз. 26-1 27-1 28-1) в циркуляционном трубопроводе на входе в участок контролируется в диапазоне от 3 до 7 для контроля и сигнализации циркуляции известкового молока на сливе в цилиндрические резервуары ЦР1 ЦР4.
Давление технологической воды на входе в участок (поз. 29-1) контролируется в диапазоне от 3 до 4 .
Давление сжатого воздуха перед погружными горелками Г1 (поз. 30-1) и Г2 (поз. 31-1) контролируется в интервале от 5 до 20 для обеспечения сигнализации и блокировки природного газа.
4. Обоснование точек контроля уровня
Уровень в бункерах (поз. 32-1 33-1 34-1) должен не превышать 35 м чтобы избежать пересыпания известкового камня из бункеров Б1 3.
Уровень известкового молока в цилиндрических резервуарах (поз. 35-1 36-1 37-1 38-1) контролируется в диапазоне от 05 до 5 м чтобы избежать перелива известкового молока и чтобы избежать работу насосов качающих известковое молоко в холостом режиме.
Уровень известкового молока в промежуточных баках (поз. 39-1 40-1) контролируется в диапазоне от 05 до 3 м для того чтобы избежать перелива известкового молока.
Уровень в нагревательных отсеках (поз. 41-1 42-1) контролируется в диапазоне от 500 – 600 мм для предотвращения перелива нагреваемой воды из отсеков.
5. Обоснование точек контроля наличия пламени
Контроль наличия пламени на горелках Г1 (поз. 43-1) и Г2 (поз. 44-1) необходим для нормальной работы аппарата погружного горения и для отсечки природного газа при погасании пламени.
Обоснование и выбор контуров регулирования типа регуляторов
Автоматическое регулирование расхода нагретой воды поступающей из аппарата погружного горения в аппарат известигасительный (поз. 14-4). Это нужно для поддержания расхода нагретой воды на отметке 35 тч для того чтобы процесс гашения извести в аппарате известигасительном протекал в оптимальном режиме т.е. без «самоторможения».
Автоматическое регулирование расхода нагретой воды поступающей из пароводяного подогревателя в аппарат известигасительный (поз. 15-4). Это нужно для поддержания расхода нагретой воды на отметке 35 тч для того чтобы процесс гашения извести в аппарате известигасительном протекал в оптимальном режиме т.е. без «самоторможения».
Система автоматического регулирования соотношения «газ – воздух» (поз. 11-4) предназначена для поддержания соотношения расходов газа и воздуха поступающих в горелку Г1 и Г2 в заданной пропорции. На одну объемную часть газа приходится десять частей воздуха соотношение 1:10. регулирование соотношения осуществляется по воздуху. Регулирование осуществляется с помощью ПИ-регулятора поворотной заслонки и исполнительного механизма МЭО.
Автоматическое регулирование температуры горячей воды поступающей из пароводяных подогревателей ПП1 (поз. 8-3) и ПП2 (поз. 9-3) в аппарат известигасительный осуществляется изменением расхода пара для поддержания температуры в интервале от 50С до 70С. Это необходимо т.к. растворимость Са(ОН)2 в воде с повышением температуры снижается.
Автоматическое регулирование температуры горячей воды поступающей из аппарата погружного горения АПГ (поз. 6-3) в аппарат известигасительный осуществляется изменением объемного расхода природного газа для поддержания температуры в интервале от 50С до 70С. Это необходимо т.к. растворимость Са(ОН)2 в воде с повышением температуры снижается.
Автоматическое регулирование уровня в аппарате погружного горения (поз. 41-3) необходимо для поддержания уровня в диапазоне от 500 до 600 мм и для предотвращения перелива воды из нагревательных отсеков.
Обоснование параметров подлежащих сигнализации и блокировке
Схема сигнализации и отсечки природного газа на аппарат погружного горения необходима для предупреждения отрыва пламени и правильной работы горелок Г1 и Г2 и предотвращения взрывов газо-воздушной смеси в аппарате погружного горения т.е. для обеспечения безопасности.. Срабатывание происходит при достижении уставок давления природного газа (поз. 23-1 24-1) Рприр.г. 50 кПа > 120 кПа давления сжатого воздуха перед погружной горелкой Г1 и Г2 (поз. 30-1 31-1) Рвоздуха 50 кПа вакуумметрического давления после аппарата погружного горения (поз. 25-1) Рпосле АПГ 004 кПа и погасании пламени горелок (поз. 43-1 44-1).
Схема сигнализации предельных уровней в цилиндрических резервуарах (поз. 35-1 36-1 37-1 38-1) L 05 м и L> 50 м и в промежуточных баках (поз. 39-1 40-1) L 05 м и L> 30 м необходима для предотвращения перелива известкового молока из емкостей (сработка уставок по максимальному уровню) и для предотвращения неправильной работы песковых насосов.
Схема сигнализации предельных уровней в накопительных бункерах (поз. 32-1 33-1 34-1) предназначена для предотвращения пересыпа извести. Сигнализация срабатывает при достижении уровня L=35 м.
Сигнализация температуры в аппарате известигасительном (поз. 3-1) необходима для оптимального процесса гашения извести в аппарате известигасительном. Сработка по верхнему пределу более 70С а по нижнему пределу 50С.
Сигнализация наличия циркуляции известкового молока в циркуляционном трубопроводе (поз. 26-1 27-1 28-1) сигнализирует о прекращении стока известкового молока в цилиндрические резервуары.
Схема сигнализации уровней в аппарате погружного горения (поз. 41-1 42-1) сигнализирующая о превышении уровня в нагревательных отсеках
Проведение активного эксперимента. Получение динамических характеристик
Целью проведения эксперимента является нахождение передаточных функций основного и внутреннего каналов математической модели объекта исследования (аппарат погружного горения) по полученным кривым разгона. Для каждого канала в отдельности ставятся эксперименты смысл которых заключается в нанесении управляющего воздействия на вход канала и при помощи контрольно-измерительной аппаратуры регистрируются изменения выходной величины канала во времени (т.е. кривые разгона).
Рисунок №1 Структурная схема эксперимента
– передаточная функция основного канала;
– передаточная функция внутреннего канала;
Для расчёта системы снимем следующие кривые разгона переходных процессов:
)изменение положения регулирующего органа на трубопроводе природного газа – температура воды на выходе из АПГ ;
)изменение положения регулирующего органа на трубопроводе природного газа – расход природного газа .
Перед проведением эксперимента все регуляторы установим в положение «ручное». Проконтролируем чтобы все параметры объекта находились в установившемся состоянии. В период проведения эксперимента будем засекать время с момента подачи возмущения до момента изменения реагирующего параметра (время чистого запаздывания). В течение эксперимента снимаем значения изменяющегося параметра через равные интервалы времени до тех пор пока он не установится.
Снятие первой кривой разгона. Изменим положение регулирующего органа на трубопроводе природного газа – открыв на 5%. Температура воды до проведения эксперимента составляла 65С а после возмущения 71С. Время эксперимента сек. Запаздывание сек.
Координаты динамической характеристики по основному каналу
Температура воды на выходе из АПГ С
Рисунок №2 Динамическая характеристика по основному каналу
Снятие второй кривой разгона. Изменим положение регулирующего
органа на трубопроводе природного газа – открыв на 5%. Расход природного газа до проведения эксперимента составлял 320 а после возмущения 358 . Время эксперимента сек. Запаздывание сек.
Координаты динамической характеристики по внутреннему каналу
Расход природного газа
Рисунок № 3 Динамическая характеристика по внутреннему каналу
Произведем обработку кривой разгона основного канала.
Рассчитаем коэффициент передачи объекта для статического (установившегося) режима:
где - изменение выходной величины (температуры)
- начальное значение температуры (С)
- конечное (установившееся) значение температуры (С)
- номинальное (максимально возможное) значение температуры
- изменение степени открытия РО единичным скачком на 5%
- номинальная (максимальная) степень открытия РО=100%.
Произведем линеаризацию сглаживание по трем точкам и нормирование кривой разгона используя программу «Идентификация объектов управления».
Координаты нормированной динамической характеристики по основному каналу
Рисунок № 4 Нормированная кривая разгона по основному каналу
Для получения передаточной функции по основному каналу используем программу «Идентификация объектов управления».
Передаточная функция основного канала равна:
Производим проверку аппроксимации нормированной кривой разгона основного канала для чего получаем аналитическое выражение переходного процесса по передаточной функции в программе «Калькулятор передаточных функций». Получим корни передаточной функции:
Корни аналитического выражения
Аналитическое выражение переходного процесса представляет собой следующее выражение:
По полученному выражению строим график кривой разгона и сравниваем его с нормированной кривой разгона .
Рисунок № 5 Нормированная кривая разгона и рассчитанная по основному каналу.
Произведем обработку экспериментальной кривой разгона внутреннего канала.
где - изменение выходной величины (расхода природного газа)
- начальное значение расхода ()
- конечное (установившееся) значение расхода ()
- номинальное (максимально возможное) значение расхода
- изменение входного сигнала (степени открытия РО) единичным скачком на 5%
Произведем нормирование кривой разгона используя программу «Идентификация объектов управления».
Координаты нормированной динамической характеристики по внутреннему каналу
Рисунок № 6 Нормированная кривая разгона по внутреннему каналу
Найдем передаточную функцию внутреннего канала Передаточная функция о канала равна:
Рисунок № 7 Нормированная кривая разгона и рассчитанная по внутреннему каналу.
Произведем расчет относительной погрешности аппроксимации по основному и внутреннему каналу. Расчет будем производить по формуле:
Данные по расчету приведены в таблице № 6.
Сравнительный анализ по основному и внутреннему каналу
По основному каналу %
По внутреннему каналу %
Максимальная ошибка аппроксимации по основному каналу: 47% а по внутреннему 0739% то есть не превышают 5% что свидетельствует о том что полученные ранее передаточные функции достаточно точно отражают свойства объекта управления и могут быть использованы для дальнейших расчетов.
Обоснование и выбор системы автоматизации технологического процесса
Автоматическое регулирование температуры горячей воды поступающей из аппарата погружного горения в аппарат известигасительный осуществляется изменением объемного расхода природного газа для поддержания температуры в интервале от 50С до 70С. Это необходимо для того чтобы процесс гашения извести в аппарате известигасительном протекал в оптимальном режиме т.е. без «самоторможения» т.к. растворимость Са(ОН)2 в воде с повышением температуры снижается.
Для осуществления данной системы регулирования необходимо сконфигурировать на контроллерах SIMATIC S7-300 каскадный контур регулирования температуры воды на выходе из аппарата погружного горения.
Для системы автоматического регулирования выбираем контроллеры SIMATIC S7-300. Выбор данного типа контроллера обусловлен его компактностью многофункциональностью универсальностью в плане решаемых задач.
Для регулирования температуры будем использовать механизмы
Расчет одноконтурной системы регулирования
Рисунок №8 Структурная схема одноконтурной системы автоматического регулирования
– передаточная функция ведомого регулятора;
– заданное значение температуры;
– выходная величина объекта регулирования (температура воды на выходе из АПГ);
– управляющее воздействие приложенное к подаче топлива.
Передаточная функция по основному каналу:
С помощью программы «LINREGTV» используя метод Ротача В.Я. для ПИ-регулятора определяем оптимальные настройки по основному каналу.
В результате расчета получили следующие данные для ПИ-регулятора:
коэффициент пропорциональности нормированный
коэффициент пропорциональности абсолютный
время дифференцирования
критическая частота
Передаточная функция ПИ-регулятора имеет вид:
где - время интегрирования которая определяется по формуле:
Расчет каскадной системы регулирования
Рисунок № 9 Структурная схема каскадной системы автоматического регулирования
– передаточная функция ведущего регулятора;
– вспомогательная величина объекта регулирования (расход природного газа);
Передаточная функция по внутреннему каналу:
С помощью программы «LinregTV» используя метод Ротача В.Я. определяем оптимальные настройки стабилизирующего ПИ-регулятора и его передаточную функцию для внутреннего канала .
В результате расчета получили следующие данные:
где - время интегрирования которая определяется по формуле (10):
Для дальнейших расчетов необходимо определить инерционность внутреннего контура относительно основного контура. Для этого сравниваем нормированную кривую разгона по основному каналу и переходной процесс внутреннего канала по возмущению h(t) который построим по передаточной функции и полученным настройкам регулятора в программе «LinregTV».
Рисунок № 10 Графики нормированной кривой разгона по основному каналу и переходного процесса внутреннего канала по возмущению
Из рисунка № 10 видно что инерционность внутреннего контура значительно ненамного меньше инерционности нормированной кривой разгона тогда передаточную функцию эквивалентного регулируемого участка для регулирования регулятора может быть найдена из следующей формулы:
В результате расчета получаем:
С помощью программы «LinregTV» используя метод Циглера-Никольса определяем оптимальные настройки корректирующего ПИД-регулятора и его передаточную функцию для эквивалентного объекта .
Передаточная функция ПИД-регулятора имеет вид:
По формуле (10) рассчитаем время интегрирования:
По формуле (15) рассчитаем время дифференцирования:
Моделирование и получение динамических характеристик систем автоматического регулирования
Для моделирования переходных процессов в рассчитанных системах автоматического регулирования будем использовать программу «MATLAB».
Построим переходные процессы по заданию и возмущению одноконтурной системы автоматического регулирования (рисунок №12 №14) каскадной системы автоматического регулирования (рисунок №20 №22) и переходные процессы во внутреннем контуре каскадной системы регулирования (рисунок №16 №18). Структурные схемы систем автоматического регулирования изображены на рисунках №№ 11 13 15 17 19 21.
Сравнение динамических характеристик систем автоматического регулирования
Сравнение динамических характеристик систем автоматического регулирования будем производить по прямым показателям качества которые показывают насколько точно и как быстро в системе устанавливается равновесие после нанесения ступенчатого возмущения.
Статическая ошибка регулирования определяется по формуле: (16)
Динамическая ошибка регулирования определяется по формуле: (17)
Время регулирования – это время в течении которого регулируемая величина достигает нового установившегося значения с заданной точностью
Полученные результаты сведем в таблицу № 7:
Прямые показатели качества одноконтурной и каскадной систем регулирования
Тип системы регулирования
Качество регулирования считается выше если меньше время регулирования динамическая и статическая ошибки. По таблице №7 видим что каскадная система регулирования обладает меньшим временем регулирования намного меньшей динамической характеристикой по возмущению и незначительно большей динамической характеристикой по заданию чем одноконтурная система. Статическая ошибка в обеих системах регулирования равна нулю. Поэтому для автоматического регулирования температуры воды на выходе из аппарата погружного горения будем использовать каскадную систему регулирования.
Реализация рассчитанной системы автоматизации. Выбор технических средств автоматизации. Выбор и разработка программных средств.
Реализацию рассчитанной системы автоматического регулирования будем осуществлять с помощью программируемого контроллера «SIMATIC S7-300». Программируемый контроллер «S7» состоит из источника питания CPU и модулей ввода и вывода. В программном обеспечении STEP 7 имеется три языка программирования список операторов - STL функциональный план - FBD контактный план - LAD. Можно спокойно переходить от одного языка программирования к другому подбирая наиболее подходящий язык для конкретного блока который необходимо программировать.
Выбор технических средств автоматизации.
Измерение расхода природного газа будем осуществлять по методу переменного перепада давления так как он наиболее простой и дешевый. Для создания перепада давлений будем использовать сужающее устройство в виде камерной диафрагмы ДКС 06 – 80 – 1 –АГ с материалом диска диафрагмы 12Х17. В качестве первичного преобразователя будем использовать датчик переменного перепада давлений «Метран – 100 - ДД» с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА который обеспечивает искробезопасную цепь а так же обладают возможностью контролировать текущее значение измеряемого параметра по месту (по жидкокристаллическому дисплею датчика) что необходимо для управления газоопасным и взрывоопасным объектом.
Для регулирования расхода природного газа будем использовать шаровой кран КВО с электроприводом фирмы AUMA - ASR 12. Электроприводы типов ASR 12 можно комбинировать с различными системами управления. От простого управления ОТКРЫТЬ-ЗАКРЫТЬ до микро управляемой версии с фиксированием рабочих данных или цифрового интерфейса. AUMA приводы типа ASR управляются от узла управления VARIOMATIC MC. Узел управления монтируется непосредственно на приводе. В узел управления AUMA VARIOMATIC MC входят следующие составные части:
блок питания (AUMA VARIOMATIC блок питания);
силовая электроника для управления двигателем;
плата микроконтроллера;
плата сигнализации и обслуживания пульт местного управления ключ-селектор.
Входной сигнал 4 – 20 мА. Сигнал положения от привода 4 – 20 мА на вход VARIOMATIC MC. Выходной сигнал на «SIMATIC S7-300» 4 – 20 мА.
Для измерения температуры будем использовать ТСМУ 205 Ех с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА. Номинальная статическая характеристика – 50М. Пределы измерения от 0 до +180 градусов.
Реализацию рассчитанной каскадной системы автоматического регулирования будем осуществлять с помощью программируемого контроллера «SIMATIC S7-300» для программирования которого применяется пакет STEP 7.
Контроллер «SIMATIC S7-300» состоит из:
блок питания PS 307 2A;
процессор CPU 313C включающий в себя 5 аналоговых входов и 2 аналогового выхода 18 дискретных входов и 16 дискретных выходов;
панель оператора SIMATIC OP 170B;
Выбор и разработка программных средств. Для реализации рассчитанной системы регулирования используем программное обеспечение STEP 7. Для этого сначала в программу S7 вставляем системный функциональный блок SFB с блоком данных DB. SFB находятся в стандартной библиотеке (Standard Library) в разделе "System Function Blocks [Системные функциональные блоки]".
Запустим экранные формы для параметризации с помощью SIMATIC STEP7 Configure PID Control [Параметризация PID-регулятора]
Откроем PID-Controll с помощью команды меню File > Open [Файл >Открыть] свой проект и выберем свой блоком данных DB.
Установимте свои параметры.
Сохраним эти параметры (находятся в блоком данных DB) и загрузим программу в свои CPU.
SFB "CONT_C" (continuous controller [непрерывный регулятор]) служит для управления техническими процессами с непрерывными входными и выходными величинами в системах автоматизации SIMATIC S7.
Этот регулятор можно использовать отдельно как стабилизирующий PID-регулятор или в многоконтурных системах управления в качестве каскадного регулятора для регулирования состава смеси или соотношения. Принцип действия основан на алгоритме ПИД-регулирования дискретного регулятора с аналоговым выходным сигналом дополненного в случае необходимости формирователем импульсов для формирования широтно-импульсных выходных сигналов для двух- или трехпозиционных систем регулирования с пропорциональными исполнительными устройствами.
Наряду с функциями в ветвях задающего и фактического значений этот SFB реализует готовый ПИД-регулятор с непрерывным выводом управляющего воздействия и возможностью ручного управления.
Ветвь задающего значения. Задающее значение вводится на входе SP_INT в формате с плавающей точкой.
Ветвь фактического значения. Фактическое значение может считываться в периферийном формате и в формате с плавающей точкой. Функция CRP_IN преобразует периферийное значение PV_PER в формат с плавающей точкой от -100 до +100 % по следующей формуле:
Функция PV_NORM нормирует выход CRP_IN по следующей формуле:
где по умолчанию имеет значение 1 а значение 0. Величины и получаются из этих формул следующим образом:
Преобразование в проценты не является настоятельно необходимым. Если задающее значение должно быть представлено физически то и фактическое значение тоже может быть преобразовано к этому физическому представлению.
Формирование рассогласования.
Разность заданного и фактического значения образует рассогласование. Для подавления небольших постоянных колебаний из-за дискретизации управляющего воздействия рассогласование пропускается через зону нечувствительности (). При зона нечувствительности выключается.
ПИД-алгоритм работает как настраиваемый алгоритм. Пропорциональная интегральная () и дифференциальная () части включены параллельно и могут включаться и выключаться по отдельности. Благодаря этому можно установить с помощью параметризации П- ПИ- ПД- и ПИД-регулятор. Но возможны также чистый И-регулятор или чистый Д-регулятор.
Можно переключаться между ручным и автоматическим режимом. В ручном режиме управляющее воздействие отслеживает значение вводимое вручную. Интегратор () внутренне устанавливается на а дифференциатор () устанавливается на 0 и они внутренне подстраиваются. Благодаря этому переключение в автоматический режим происходит плавно.
Обработка управляющего воздействия. Управляющее воздействие ограничивается задаваемыми значениями с помощью функции . Нарушение границ входной величиной отображается индикаторными битами.
Функция нормирует выход LMNLIMIT в соответствии со следующими правилами:
по умолчанию имеет значение 1 а – 0. Управляющее воздействие имеется в распоряжении также в периферийном формате. Функция преобразует значение с плавающей точкой в периферийное значение по следующей формуле:
Подключение возмущающего воздействия. На входе может быть аддитивно подключено возмущающее воздействие.
Инициализация. SFB "CONT_C" снабжен программой инициализации которая выполняется если входной параметр установлен на . Интегратор при инициализации внутренне устанавливается на начальное значение . При вызове на уровне циклических прерываний он продолжает работать от этого значения. Все остальные выходы устанавливаются на свои значения по умолчанию.
Блок схема SFB "CONT_C" изображена на рисунке № 23.
Входные параметры SFB 41 "CONT_C" содержит таблица №8:
Входные параметры SFB 41 "CONT_C
COMPLETE RESTART [Полный перезапуск]. Блок имеет программу инициализации которая обрабатывается если вход COM_RST установлен.
TRUE: Новый пуск. FALSE: Режим регулирования
MANUAL VALUE ON. Включение ручного режима
Если вход «Включение ручного режима» установлен то контур регулирования разорван. В качестве управляющего воздействия устанавливается значение заданное вручную.
PROCESS VARIABLE PERIPHERY ONВключение чтения переменной процесса с периферии Если фактическое значение должно считываться с периферии то вход PV_PER должен быть соединен с периферией а вход «Включение чтения переменной процесса с периферии» должен быть установлен.
PROPORTIONAL ACTION ON
Включение пропорциональной
Составляющей.В ПИД-алгоритме составляющие ПИД
могут включаться и отключаться по отдельности. Пропорциональная составляющая включена если установлен вход «Включение пропорциональной составляющей».
Включение интегральной Составляющей в ПИД-алгоритме составляющие ПИД могут включаться и отключаться по отдельности. Интегральная составляющая включена если установлен вход «Включение интегральной составляющей».
INTEGRAL ACTION HOLD Фиксация интегральной составляющей. Выход интегратора может быть зафиксирован. Для этого должен быть установлен вход "Фиксация интегральной составляющей".
INITIALIZATION OF THE INTEGRAL ACTION. Инициализация интегральной составляющей. Выход интегратора может быть установлен в соответствии с входом I_ITLVAL. Для этого должен быть установлен вход "Инициализация интегральной составляющей".
DERIVATIVE ACTION ON Включение дифференциальной составляющей. В ПИД-алгоритме составляющие ПИД могут включаться и отключаться по отдельности. Дифференциальная составляющая включена если
установлен вход "Включение
дифференциальной составляющей".
SAMPLE TIME. Время опроса
Время между вызовами блока должно быть постоянным. Вход «Время опроса» указывает время между вызовами блока.
INTERNAL SETPOINT Внутреннее задающее значение Вход «Внутреннее задающее значение» служит для установления задающего значения.
-100.0..100.0 (%) или физическая. величина 1)
PROCESS VARIABLE IN. Ввод фактического значения. На входе «Ввод фактического значения» может быть установлено при параметризации значение необходимое при вводе в действие или подключено внешнее фактическое значение.
-100.0..100.0 (%) или физическая
PROCESS VARIABLE PERIPHERY. Фактическое значение –периферия. Фактическое значение в периферийном формате на входе «Фактическое значение - периферия» соединяется с регулятором.
MANUAL VALUE. Значение устанавливаемое вручную. Вход «Значение устанавливаемое вручную» служит для задания значения устанавливаемого вручную посредством функции управления и наблюдения.
PROPORTIONAL GAIN. Пропорциональная составляющая. Вход «Пропорциональная составляющая» задает коэффициент усиления регулятора.
Смысл действия регулятора зависит от знака
RESET TIME. Время интегрирования Вход «Время интегрирования» определяет временную характеристику интегратора.
DERIVATIVE TIME. Время воздействия по производной Вход «Время воздействия по производной» определяет временную характеристику дифференциатора.
TIME LAG OF THE DERIVATIVE ACTION. Время запаздывания дифференцирующей составляющей Алгоритм Время запаздывания дифференцирующей составляющей содержит запаздывание которое может быть установлено при параметризации на входе "Время запаздывания дифференцирующей составляющей".
DEAD BAND WIDTH. Ширина зоны нечувствительности Рассогласование регулятора пропускается через зону нечувствительности. Вход «Ширина зоны нечувствительности» определяет величину зоны нечувствительности.
MANIPULATED VALUE HIGH
LIMIT. Верхняя граница управляющего воздействия Управляющее значение всегда ограничено сверху и снизу. Вход «Верхняя граница управляющего воздействия» указывает верхнюю границу.
MANIPULATED VALUE LOW
LIMIT. Нижняя граница управляющего воздействия Управляющее значение всегда ограничено сверху и снизу. Вход «Нижняя граница управляющего воздействия» указывает нижнюю границу.
PROCESS VARIABLE FACTOR. Коэффициент при фактическом значении. Вход «Коэффициент при фактическом значении» умножается на фактическое значение. Вход служит для согласования с областью фактических значений.
PROCESS VARIABLE OFFSET. Сдвиг фактического значения Вход «Сдвиг фактического значения» складывается с фактическим значением. Вход служит для согласования с областью фактических значений.
MANIPULATED VALUE FACTOR. Коэффициент при управляющем воздействии Вход «Коэффициент при управляющем воздействии» умножается на управляющее воздействие. Вход служит для согласования диапазона управляющих воздействий
MANIPULATED VALUE OFFSET. Сдвиг управляющего воздействия Вход «Сдвиг управляющего воздействия» складывается с управляющим воздействием. Вход служит для согласования диапазона управляющих воздействий.
INITIALIZATION VALUE OF THE INTEGRAL ACTION. Начальное значение для интегральной составляющей На входе I_ITL_ON может быть установлен выход интегратора. На входе «Начальное значение для интегральной составляющей» стоит инициализирующее значение.
DISTURBANCE VARIABLE. Возмущающее воздействие. Для подключения возмущающего воздействия оно соединяется с входом «Возмущающее воздействие».
Выходные параметры SFB 41 "CONT_C" содержит таблица № 9:
Выходные параметры SFB 41 "CONT_C
MANIPULATED VALUE Управляющее воздействие. На выходе «Управляющее воздействие» выводится эффективно действующее управляющее воздействие в формате с плавающей точкой.
PERIPHERY Управляющее воздействие – периферия. Управляющее воздействие в периферийном формате на выходе «Управляющее воздействие - периферия» соединяется с регулятором.
HIGH LIMIT OF MANIPULATED VALUE REACHED Нарушена верхняя граница управляющего воздействия. Управляющее воздействие всегда ограничено сверху и снизу. Выход «Нарушена верхняя граница управляющего воздействия» сообщает о пересечении верхней границы.
LOW LIMIT OF MANIPULATED VALUE
REACHEDНарушена нижняя граница управляющего воздействия. Управляющее воздействие всегда ограничено сверху и снизу. Выход «Нарушена нижняя граница управляющего воздействия» сообщает о пересечении нижней границы.
PROPORTIONALITY COMPONENT Пропорциональная составляющая Выход «Пропорциональная составляющая» содержит пропорциональную составляющую управляющего воздействия.
INTEGRAL COMPONENT. Интегральная составляющая Выход «Интегральная составляющая» содержит интегральную составляющую управляющего воздействия.
DERIVATIVE COMPONENT. Дифференциальная составляющая Выход "Дифференциальная составляющая" содержит дифференциальную составляющую управляющего воздействия.
PROCESS VARIABLE. Фактическое значение. На выходе "Фактическое значение" выводится эффективно действующее фактическое значение.
ERROR SIGNAL. Рассогласование. На выходе "Рассогласование" выводится эффективно действующее рассогласование.

динамические характеристики.cdw

Рисунок № 15 Структурная схема по заданию во внутреннем контуре
каскадной системы регулирования
Рисунок № 17 Структурная схема по возмущению во внутреннем контуре
Рисунок № 18 Переходной процесс по возмущению во внутреннем контуре
Рисунок № 16 Переходной процесс по заданию во внутреннем контуре
и динамические характеристики
переходных процессов
Рисунок № 11 Структурная схема одноконтурной системы регулирования по заданию
Рисунок № 13 Структурная схема одноконтурной системы регулирования по возмущению
Рисунок № 19 Структурная схема каскадной системы регулирования по заданию
Рисунок № 21 Структурная схема каскадной системы регулирования по возмущению
Рисунок № 12 Переходной процесс одноконтурной системы регулирования по заданию
Рисунок № 14 Переходной процесс одноконтурной системы регулирования по возмущению
Рисунок № 22 Переходной процесс каскадной системы регулирования по возмущению
Рисунок № 20 Переходной процесс каскадноной системы регулирования по заданию
Рисунок № 9 Структурная схема каскадной системы регулирования
Рисунок № 8 Структурная схема одноконтурной системы регулирования