1 Анализ технологического процесса, как объекта управления.

1 Анализ технологического процесса, как объекта управления.

Котельная ВОТ предназначена для обеспечения технологического оборудования высокотемпературным органическим теплоносителем.

В качестве теплоносителя применяется динил - эвтектическая смесь, состоящая из 26,5 % дифенила и 73,5 % дифенилоксида.

Воздух, необходимый для процесса горения, всасывается воздуходувкой II,XII из атмосферы через теплообменник I,XI. В трубное пространство теплообменника поступает пар давлением (0,6 - 0,7) МПа. Температура воздуха на выходе из теплообменника (60 - 100) °С. Далее воздух нагревается в подогревателе III, XIV до (100 - 247) °С, в трубное пространство которого поступает воздух, а в межтрубное - горячий дымовой газ, образующийся при сгорании природного газа в горелках нагревателей V,XV. Дымовой газ после подогревателя воздуха по дымоходу поступает в дымовую трубу высотой 45 м, а из нее в атмосферу. Температура дымового газа на выходе из нагревателей динила (220 - 405) °С.

Основным топливом котельной ВОТ является природный газ давлением 0,31 Мпа и расход которого поддерживается в пределах 240 м3/ч, который поступает по газопроводу с газораспределительного пункта (ГРП).

Динил насосами подается на всасывающую линию циркуляционных насосов VII,VIII,IX,X. Насосы VII,VIII,IX,X обеспечивают циркуляцию динила температура которого (45-50) °С через змеевики нагревателей V,XV температура динила после нагревателей составляет (325-335) °С. На каждый нагреватель динила предусмотрено по два насоса, из которых один - резервный. Расход динила черех наргеватели (210-225) м³

Избыток динила в первичном контуре, образующийся в результате нагрева при выводе системы на режим. Поступает в расширительную емкость XVI, установленный в наиболее высокой точке динильной системы на отметке 12,5 м. Динил находящийся под определенным давлением азота в расширительной емкости, обеспечивает постоянный подпор на линии всасывания циркуляционных насосов VII,VIII,IX,X.

Регулирование температуры динила поддерживается равной (325-335) C с помощью расхода природного газа под давлением и расхода динила.

Данные технологического режима:

Расход природного газа в процессе горения 230-235 /ч

Расход динила в процессе нагревания 210-225 /ч

Давление природного газа поступающего в нагреватель 0,31 МПа

Температура динила до нагревателя 45-50 C

Температура динила после нагревателя 325-335 C

Расход воды 3,5 - 0,5 /ч

Цель управления котельной установкой − это получение высокотемпературного теплоносителя (динила) требуемой температуры и. Для этого в нагреватели V,XV необходимо подавать в заданном соотношении природный газ и динил. Расходы в свою очередь зависят от температуры динила после нагревателей. Таким образом для данной системы регулирования характерна многосвязность по входам и выходам.

В процессе нагревания динила управляющими величинами являются?. В качестве возмущающих воздействий служат расход природного газа, расход динила, температура динила до нагревателей, расход воды через циркуляционые насосы, давление природного газа поступающего в нагреватель и возмущения вызванные внешней средой.

В данном процессе необходимо контролировать температуру динила на выходе из нагревателей. При достижении некоторых технологических величин выше допустимого значения должна срабатывать световая и звуковая сигнализация. К таким параметрам относятся давление природного газа, расход воды, уровень динила в емкости XVI.

Так как производство пожаровзрывоопасное, то для измерения, контролирования и регулирования технологических параметров используются электрические приборы во взрывоискробезопасном исполнении.

2.Разработка алгоритмической структурной схемы локальной автоматической системы управления

процессом

Для автоматического управления котельной установкой используются локальные замкнутые системы контроля и регулирования, которые включают в себя первичный измерительный преобразователь сигнал с которого подается на вход модуля аналогового ввода контроллера, управляющая программа контроллера сравнивает полученный сигнал с заданным и при необходимости формирует управляющий сигнал, который с модуля дискретного вывода контроллера через магнитный пускатель подается на электродвигатель исполнительного механизма запорно-регулирующего клапана. Также применяется и каскадные АСР, система помимо основной регулируемой величины у(р) имеет вспомогательную регулируемую величину у1(р).

Замкнутые АСР работают по принципу отклонения. Их отличительной чертой является наличие замкнутого контура прохождения сигнала, то есть наличие обратного канала, по которому информация о регулируемой величине подается на вход элемента сравнения АСР.

Каскадные АСР включают два регулятора — основной (внешний) регулятор, служащий для стабилизации основного выхода объекта у(р), и вспомогательный (внутренний) регулятор, предназначенный для регулирования вспомогательной координаты у1(р). Заданием для вспомогательного регулятора служит выходной сигнал основного регулятора.

На алгоритмической структурной схеме МТИ Т.11.03 941012 Э1 обьекты автоматизации представлены в виде нескольких звеньев с различными передаточными функциями, соединенными между собой.

Обьекты автоматизации в данном процессе требуют поддержания на заданном уровне следующих технологических величин:

(t)-расход расход природного газа;

(t)-расход динила;

(t)- расход воды через циркуляционные насосы;

(t)-давление природного газа.

Для этого на обьекты управления поступают управляющие воздействия:

(t)-заданный расход природного газа;

(t)-заданный расход динила;

(t)-заданныйт расход воды через циркуляционные насосы;

(t)-заданное давление природного газа.

В качестве обьектов регулирования выступают технологические аппараты процесса производства ВОТ. Передаточная функция

(p) описывает трубопровод с установленным на нем регулирующим клапаном, на нее поступает возмущающие воздействие (t) в виде изменения расхода пара. Расход пара регулируется контролером с передаточной функцией (p). Сигнал (t) содержащий информацию о расходе, с выхода объекта управления (передаточная функция (p)) поступает на контроллер, управляющая программа контроллера сравнивает полученный сигнал с заданным и при необходимости формирует регулирующие воздействие (t), которое через исполнительный механизм воздействует на поток пара.

На объект описываемый передаточной функцией (p) (калорифер I),поступает возмущающие воздействие (t), а также (t) в виде изменения расхода пара и выходит сигнал (t), который поступает на оюъект с передаточной функцией (p) (воздуходувка II) и возмущающим воздействием (t). Объект вырабатывает выходной сигнал (t), поступающий на объект с передаточной функцией (p) (воздухоподогреватель III),куда поступает возмущающие воздействие (t),вырабатывает сигнал на выходе (t).

(p) описывает трубопровод с установленным на нем регулирующим клапаном, на нее поступает возмущающие воздействие (t) в виде изменения расхода воды. Расход воды регулируется контролером с передаточной функцией (p). Сигнал (t) содержащий информацию о расходе, с выхода объекта управления (передаточная функция (p)) поступает на контроллер, управляющая программа контроллера сравнивает полученный сигнал с заданным и при необходимости формирует регулирующие воздействие (t), которое через исполнительный механизм воздействует на поток воды.

Циркуляционный насос VII описывается передаточной функцией (p), на который поступают возмущающие воздействия (t), а также (t) в виде изменения расхода воды. Расход динила регулируется контролером с передаточной функцией (p). Сигнал (t) содержащий информацию о расходе динила, с выхода объекта управления (передаточная функция (p)) поступает на контроллер, управляющая программа контроллера сравнивает полученный сигнал с заданным (t) и при необходимости формирует регулирующие воздействие (t), которое через исполнительный механизм воздействует на поток динила.

Котельную установку описывает передаточная функция (p),на которую поступают возмущающие воздействия (t), а также (t) и (t), (t), (t), в виде изменения подачи воздуха, расхода динила, расхода природного газа и давления природного газа. Сигнал (t) на выходе объекта управления (передаточная функция (p)), содержащий информацию о температуре динила, поступает на сумматор, где сравнивается с заданием (t) и при необходимости формирует регулирующие воздействие (t), которое через исполнительный механизм воздействует на поток динила.

Передаточная функция основного регулятора (p), служащая для стабилизации основного выхода объекта (t) и вспомогательный (внутренний) регулятор с передаточной функцией (p), предназначенный для регулирования вспомогательной координаты (t)

В свою очередь расход природного газа является возмущающим воздействием для температуры динила.

4.РАСЧЕТ СРЕДСТВ И СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

Необходимо произвести расчет и моделирование комбинированной автоматической системы регулирования.

Получить передаточную функцию динамического компенсатора возмущающих воздействий (p). Оценить техническую реализуемость компенсатора возмущающих воздействий и смоделировать его на основе типовых звеньев САУ. Начертить структурную схему комбинированной АСР.

Передаточная функция по каналу управления и передаточная функция по каналу возмущения , передаточная функция регулятора R(p)=5. Сигнал по возмущению подан на вход объекта управления.

Основой расчета подобных систем является принцип инвариантности: отклонение выходной координаты системы от заданного значения должно быть тождественно равным нулю при любых задающих или возмущающих воздействиях.

Для выполнения принципа инвариантности необходимы два условия: идеальная компенсация всех возмущающих воздействий и идеальное воспроизведение сигнала задания. Очевидно, что достижение абсолютной инвариантности в реальных системах регулирования практически невозможно. Обычно ограничиваются частичной инвариантностью по отношению к наиболее опасным возмущениям. Рассмотрим условие инвариантности в комбинированной системе регулирования по отношению к одному возмущающему воздействию

Выведем условия инвариантности для комбинированных АСР. Для случая, когда сигнал от компенсатора подается на вход объекта структурная схема комбинированной АСР преобразуется к последовательному соединению разомкнутой системы и замкнутого контура, передаточные функции которых соответственно равны:

(4.1)

(4.2)

При этом условие инвариантности записывается в виде

(4.3)

Если , должно выполняться условие

(4.4)

т. е. условие инвариантности (1.19 а).

При использовании комбинированной системы регулирования вывод условий инвариантности приводит к соотношениям:

(4.5)

(4.6)

(4.7)

Если , должно выполняться условие

(4.8)

Откуда

(4.9)

Таким, образом, при подключении выхода компенсатора на вход регулятора передаточная функция компенсатора, полученная из условия инвариантности, будет зависеть от характеристик не только объекта, но и регулятора.

Условия физической реализуемости инвариантных АСР. Одной из основных проблем, возникающих при построении инвариантных систем регулирования, является их физическая реализуемость, т.е. реализуемость компенсатора, отвечающего условиям (4.9).

В отличие от обычных промышленных регуляторов, структура которых задана и требуется лишь рассчитать их настройки, структура динамического компенсатора полностью определяется соотношением динамических характеристик объекта по каналам возмущения и регулирования и может оказаться очень сложной, а при неблагоприятном соотношении этих характе­ристик— физически нереализуемой.

«Идеальные» компенсаторы физически нереализуемы в следующих двух случаях.

1.Если время чистого запаздывания по каналу регулирования больше, чем по каналу возмущения. В этом случае идеаль­ный компенсатор должен содержать звено упреждения, так как если

, (4.10)

то с учетом

(4.11)

При

2.Если в передаточной функции компенсатора степень полинома в числителе больше, чем степень полинома в знаменателе. В этом случае компенсатор должен содержать идеальные дифференцирующие звенья.

Такой результат получается при определенном соотношении порядков дифференциальных уравнений, описывающих каналы возмущения и регулирования. Пусть

, (4.12)

где полиномы степеней m_в, n_в, m_риn_р.

Тогда

(4.13)

и

Таким образом, условие физической реализуемости инвариантной АСР заключается в том, чтобы выполнялись соотношения

Техническая реализация инвариантных АСР. При практической реализации разомкнутых и комбинированных АСР обычно добиваются приближенной инвариантности системы по отношению к рассматриваемому возмущению в наиболее опасном диапазоне частот. При этом реальный компенсатор выбирают из числа наиболее легко реализуемых динамических звеньев, параметры которых рассчитывают из условия близости частотных характеристик идеального [ и реального [ компенсаторов в этом диапазоне частот:

[ [ при

При такой постановке задачи условие приближенной инвариантности примет вид

(4.16)

Причем в разомкнутой АСР

(4.17)

а в комбинированной системе регулирования

(4.18)

Комбинированную АСР можно рассматривать как двухступенчатый фильтр для сигнала возмущения, состоящий из разомкнутой АСР и замкнутого контура, который является фильтром для определенных частот. Характерной особенностью замкнутой системы регулирования является наличие пика на амплитудно-частотной характеристике на рабочей частоте (рис. 4.1), в окрестности которой он обладает наихудшими фильтрующими свойствами.

Рисунок 4.1 – Амплитудно-частотные характеристики замкнутой системы с пропорциональным регулятором.

Поэтому чаще всего условие приближенной инвариантности (4.15) для комбинированных АСР записывается для двух частот: . При этом компенсация возмущения на нулевой частоте обеспечивает инвариантность системы в установившихся режимах, если ≠0 при (например, при использовании П-регулятора в замкнутом контуре), или если при → ∞ при ( например при ступенчатых возмущениях).

Таким образом, расчет комбинированной частично инвариантной АСР включает следующие этапы:

− расчет настроек регулятора и определение рабочей частоты в одноконтурной системе регулирования;

− вывод передаточной функции идеального компенсатора из условия инвариантности и анализ его реализуемости;

− выбор реального компенсатора н определение его пара­метров из условия приближенной инвариантности в наиболее существенном для системы диапазоне частот.

Расчет комбинированной автоматической системы регулирования в соответствии с заданием.

Определяем настройки регулятора по методу Циглера-Никольса. Из системы уравнений

где

Определяем критическую частоту и критический коэффициент усиления регулятора при которых замкнутая система будет находиться на границе устойчивости.

Из формулы (4.9) находим передаточную функцию динамического компенсатора возмущающих воздействий.

Идеальный компенсатор- звено чистого запаздывания, так как

Дата добавления: 2015-08-29