Исследование технологического процесса как объекта автоматизации

Приоформлении расчетно-пояснительной записки фраза «технологический процесс» должна быть заменена на название того процесса, который исследуется в данной работе. Общий объем данного раздела, как правило, 10−15 страниц. Исследование процесса как объекта автоматизации включает в себя: изучение известных данных, априорную информацию, анализ теории данного производственного процесса и определение основных его закономерностей, дается характеристика и анализ технологического процесса как объекта автоматизации. Приводится краткое описание существующего технологического процесса и оборудования со ссылкой на действующий регламент и технологическую схему. Дается описание основных физико-химических закономерностей данного технологического процесса.

Приводится описание технологической схемы с указанием регламентных параметров ведения процесса, регламентных норм для основных технологических переменных и их граничных значений, определяемых пожаро- и взрывобезопасностью. Приводится краткое описание принципов действия и конструкции основных аппаратов и агрегатов.

На основании анализа особенностей технологического процесса и основных его физико-химических закономерностей проводится обоснование выбора конкретных схем регулирования и указываются возможные пути повышения качества регулирования – применение каскадных схем регулирования, построение инвариантных комбинированных автоматизированных систем регулирования (АСР) и т.д.

Разработка математической модели. Глубокое исследование технологических процессов позволяет строить их математические модели и использовать эти модели при создании систем управления. Регулировать можно все без исключения процессы при возможности технического осуществления. Поэтому и число объектов регулирования может быть сколь угодно большим.

Объекты регулирования можно сгруппировать по общим физическим принципам или законам, которые положены в основу их работы. Зная физический закон, положенный в основу работы данного объекта регулирования и его конструкцию, в большинстве случаев можно дать его математическое описание, необходимое при исследовании системы регулирования. При этом в значительной степени расширяется традиционная область использования математических моделей, предназначенных для расчета систем стабилизации и регулирования соответствующих объектов, и от моделей требуется такая степень адекватности процессу, которая позволяет на их основе решать задачи управления и оптимизации в широком диапазоне режимов, а также и оптимального технологического проектирования самого объекта.

Объекты регулирования, которые могут быть охарактеризованы как типовые:

1) резервуары, заполняемые жидкостями, пульпой, сыпучими материалами, т.е. объекты, работающие по законам истечения веществ;

2) тепловые объекты, к которым относятся нагревательные печи, теплообменники, печи обжига, автоклавы и т.д., т.е. объекты, работающие по законам теплопередачи;

3) аппараты давления типа выпаривателей, ресиверов, – объекты, работающие по законам газового состояния;

4) электрические объекты типа электропечей, генераторов постоянного и переменного тока, двигателей постоянного и переменного тока – объекты, работающие по законам электричества.

Перечисленные выше объекты достаточно полно отражают современную технику химической и, пищевой промышленности. Для примера рассмотрим объекты работающие по законам истечения веществ (резервуары).

Резервуары широко распространены в химической и пищевой промышленности в качестве технологических аппаратов. Достаточно указать следующие аппараты, выполненные на базе резервуаров: куб колонны, отсадочные машины, бункеры, пруды системы водоочистки, отстойники и т.д. Многие из этих устройств являются или могут быть объектами регулирования, поэтому необходимо знать их свойства как звеньев системы регулирования. Обычно интересуются уровнем в резервуаре в зависимости от расхода или притока вещества, так как уровень в резервуарах часто регулируется или стабилизируется.

Принципиальная конструкция резервуара, заполненного жидкостью или пульпой, показана на рисунке 2а. Примем за выходную регулируемую величину высоту уровня h в резервуаре. Управляющим воздействием будет изменение проходного сечения вентиля на сливном трубопроводе F ₁ и возмущающим воздействием – количество жидкости Q ₂, поступающей в резервуар.

Еще раз отметим, что с таким же успехом можно взять за управляющее воздействие Q ₂ и за возмущающее – F ₁. Выбор этих возмущений зависит от конкретных условий работы резервуара.

Рассмотрим сначала статические характеристики резервуара, т.е. зависимости h = f (F ₁) и h = f (Q ₂) в установившемся режиме.

Установившийся режим характеризуется тем, что расход жидкости равен притоку, а уровень остается постоянным

,

,

где и – расход жидкости, м³/с;

h – высота уровня, м.

 

а б

в

 

Рисунок 2 – Принципиальные схемы резервуаров

 

На основании законов гидродинамики запишем зависимость между расходом жидкости Q ₁, высотой уровня h и проходным сечением F ₁ (уравнение Торричелли):

, (1.1)

где – проходное сечение вентиля трубопровода, м²;

μ – коэффициент расхода (зависит от формы и конструкции проходного сечения);

g– ускорение силы тяжести, м/с².

Зная численное значение величин, входящих в формулу (1.1), можно построить характеристику h=f (F ₁)при постоянном Q ₂ (рисунок 3). Эта характеристика называется статической характеристикой объекта по управляющему воздействию. Статическую характеристику можно получить и экспериментально. Для этого следует изменять проходное сечение F ₁ и после установления равенства Q ₁= Q ₂ уровнемером измерить значение уровня h.

Рисунок 3 – Статические характеристики резервуара

 

Экспериментальное снятие статических характеристик производится тогда, когда какой-либо коэффициент, входящий в формулу (1.1), неизвестен или численная величина его вызывает сомнения (чаще всего μ).

Статическая характеристика h = f (Q ₂) называется характеристикой по возмущающему воздействию, или нагрузочной характеристикой.

Нагрузочная характеристика определяется при постоянном F ₁. Так как в установившемся режиме Q ₁= Q ₂, то

. (1.2)

Вид характеристики h = f (Q ₂) показан на рисунке 3. Нагрузочную характеристику также можно снять экспериментально. Для этого следует расходомером замерять Q ₂ и при равенстве Q ₁= Q ₂ с помощью уровнемера измерить высоту уровня h.

Для объектов регулирования большое значение имеет регулировочная характеристика, т.е. зависимость F ₁= f (Q ₂) при h = const. Регулировочная характеристика показывает, как следует менять управляющее воздействие при изменении возмущающего воздействия, чтобы регулируемый параметр оставался постоянным. Очень часто регулировочная характеристика является зеркальным отображением нагрузочной. Как видно из формулы (1.2), эта зависимость линейна (рисунок 3). Регулировочную характеристику можно снять экспериментально. Для этого следует расходомером замерять Q ₂ и при постоянном h определить площадь проходного сечения F ₁.

Как видно из формул (1.1) и (1.2) и из рисунка 3, функции h = f (F ₁) и h = f (Q ₂) нелинейные.

Проведем линеаризацию и получим уравнение в отклонениях.

Для этого дадим приращение сечению вентиля Δ F ₁, тогда соответственно получат приращения уровень Δ h и расход Δ Q ₁:

.

После возведения в квадрат правой и левой частей получим формулу (1.3):

(1.3)

Перенесем начало координат в точку установившегося состояния Q ₁, h, для чего из уравнения (1.3) вычтем уравнение (1.1), возведенное в квадрат:

Члены Δ F ₁², Δ Q ₁², Δ F ₁Δ h и Δ F ₁²Δ h являются членами высшего порядка малости и ими можно пренебречь (линеаризация). Тогда окончательно получим

. (1.4)

Уравнение (1.4) есть линеаризованное уравнение (1.1) в отклонениях.

Рассмотрим теперь работу резервуара в динамическом режиме. В этом случае интересуются проведением уровня h при изменении управляющего или возмущающего воздействия.

Запишем уравнение динамического режима

, (1.5)

где S – площадь резервуара, м².

Уравнение (1.5) показывает, что количество жидкости Q ₂ dt, поступившее за время dt, уравновешивается приращением объема жидкости в резервуаре Sdh и количеством жидкости Q ₁ dt, которая вытекает из резервуара за то же время dt. Разделим правую и левую части уравнения (1.5) на dt и дадим скачкообразное приращение расходу Q ₂, равное Δ Q ₂. Совершенно очевидно, что приращение получат и уровень Δ h, и расход жидкости из резервуара Δ Q ₁:

. (1.6)

Для улучшения уравнения только в отклонениях вычтем из уравнения (1.6) уравнение установившегося состояния:

Q ₂ =Q ₁.

После чего получим

. (1.7)

Производная , так как h – величина постоянная. Подставим в уравнение (1.7) значение Δ Q ₁, из уравнения (1.4):

.

Разделим правую и левую часть на коэффициент при Δ h:

. (1.8)

Рассмотрим коэффициенты уравнения (1.8). Коэффициент при Δ Q ₂ называется коэффициентом передачи по возмущающему воздействию (с/м²):

.

Коэффициент K_В определяется аналитически или по статической характеристике рисунка 1.2 как отношение приращения Δ h к Δ Q ₂:

Коэффициент при Δ F ₁ называется коэффициентом передачи по управляющему воздействию (1/м)

.

Коэффициент K_у также определяется аналитически или по статической характеристике как отношение приращения Δ h к Δ F ₁:

.

Существенно отметить, что коэффициенты K_B и K_y зависят от выбора рабочей точки, т.е. точки установившегося состояния при нелинейных статических характеристиках. Поэтому если объект работает в широком диапазоне изменения уровня, то следует определить коэффициенты передачи. Как будет видно из дальнейшего изложения, коэффициент передачи оказывает существенную роль на устойчивость системы и её точность.

Коэффициент при производной называется постоянной времени (с):

.

Выясним физическую сущность постоянной времени. Умножим и разделим коэффициент при производной на 2 h:

.

Постоянная времени является отношением количества вещества (энергии), запасенного в объекте, к расходу (рассеянию) вещества (мощности) из объекта, т.е. характеризует способность последнего накапливать и рассеивать вещество или мощность. Это определение вытекает из уравнения Лагранжа.

Таким образом, любой объект, могущий запасать энергию и рассеивать мощность, должен обладать постоянной времени. Этим правилом можно пользоваться для проверки составления уравнения и размерности их коэффициентов.

Постоянную времени можно представить в несколько ином виде:

,

т.е. как произведение площади резервуара на коэффициент передачи по возмущающему воздействию. Так как коэффициент K_B зависит от выбора рабочей точки, то и постоянная времени Т также будет зависеть от выбора рабочей точки на статической характеристике.

Учитывая введенные обозначения, получим окончательно уравнение объекта в таком виде, в каком оно записывается в теории регулирования:

. (1.9)

Подвергнув уравнение преобразованию Лапласа и приняв, что начальные условия равны нулю, получим

, (1.10)

где , , Δ – изображения входных и выходных величин.

Отношения изображения выходной величины к изображению входной при нулевых начальных условиях называются передаточной функцией объекта регулирования.

Данный объект имеет две передаточные функции – по управляющему и по возмущающему воздействиям

; (1.11)

. (1.12)

Передаточные функции широко используются для анализа и синтеза систем автоматического регулирования.

Уравнение (1.9) имеет два решения, которые соответствуют двум скачкообразным воздействиям управляющему при Q ₂= const и возмущающему при F ₁= const:

Объекты, обладающие перечисленными выше свойствами и имеющие передаточные функции вида (1.11), (1.12), получили в теории регулирования название апериодических звеньев первого порядка. В технологической практике подобные объекты иногда называются одноемкостными объектами с самовыравниванием. Типичным примером проанализированного объекта служит отсадочная машина, у которой стабилизируется уровень.

Вид уравнений для резервуаров, заполненных сыпучими телами (гравий, песок, сахар, мука и т.д.), будет аналогичен уравнению (1.9), но статические характеристики и коэффициенты передачи K_у и K_В будут определяться законами истечения для этих веществ.

Изменение режима работы резервуара может значительно изменить его характеристики.

Рассмотрим резервуар, жидкость из которого отсасывается насосом с постоянной производительностью (рисунок 2б).

Уравнение равновесия остается прежним:

Q ₁= Q _2.

Теперь Q ₁не зависит от высоты уровня h.

Составим уравнение динамического режима:

. (1.13)

По известным правилам запишем уравнение в отклонениях:

,

или

. (1.14)

=0, так как насос работает с постоянной производительностью (Q ₁= const).

Уравнение (1.14) показывает, что при скачкообразном изменении приращения Δ Q ₂ в момент t ₀ уровень меняется с постоянной скоростью и не может принять нового установившегося состояния. При отрицательном Δ Q ₂ уровень будет понижаться с постоянной скоростью до полного опорожнения резервуара, а при положительном Δ Q ₂ – повысится до переполнения резервуара.

Из приведенного примера наглядно видно, что изменение режима работы резервуара привело к изменению его свойств как объекта регулирования. Нетрудно заметить, что регулировать уровень в данном резервуаре значительно сложнее, чем в предыдущем.

Подвергнем уравнение (1.14) преобразованию Лапласа:

.

Передаточная функция

, (1.15)

где .

Объект, имеющий передаточную функцию типа (1.15), в теории регулирования получил название астатического или интегрирующего звена первого порядка.

В технологической практике такое звено иногда называется одноемкостным звеном без самовыравнивания.

Выбор контуров и законов регулирования. Приводится обоснование выбора контуров и законов регулирования для разработки системы автоматического управления (САУ).

Для построения математической модели САУ необходимо знать ее математическое описание, т.е. динамику поведения объекта во времени. Математическая модель позволяет определить передаточные функции W (p). Затем необходимо получить кривую разгона объекта управления. Кривую разгона можно получить двумя способами:

1) экспериментальным путем на действующем производственном оборудовании;

2) с помощью имитационной модели, реализованной в пакетах прикладных программ (например, SCADA-системы).

В обоих случаях принимают, что в объект управления входят первичный измерительный преобразователь, вторичный прибор и исполнительный механизм.

Для нахождения кривой разгона с помощью прикладных программ необходимо знать входное значение измеряемого параметра и значение на выходе. Объект автоматизации представляется в виде нескольких звеньев с различными передаточными функциями, соединенными между собой. В процессе работы на различные участки объекта автоматизации могут поступать внешние возмущающие воздействия. В связи с этим алгоритмическая схема может состоять из звеньев с одним входным и выходным сигналом; с двумя или несколькими входными сигналами и одним выходным; с двумя или несколькими входными сигналами и с двумя или несколькими выходными сигналами. В дальнейшем звенья с несколькими каналами прохождения сигналов заменяются несколькими более простыми звеньями с соответствующими передаточными функциями по каждому каналу.

Алгоритмическую структурную схему объекта автоматизации целесообразно представлять простейшими элементарными (типовыми) звеньями, динамические свойства и аналитические выражения для передаточных функций которых известны. В зависимости от типа первичного измерительного преобразователя (датчика) необходимо задать его передаточную функцию. Например, термометр сопротивления имеет передаточную функцию апериодического звена второго порядка, термопара – апериодического звена первого порядка. Также можно принять, что передаточные функции вторичного прибора и исполнительного механизма равны 1 (W (p)=1), т.е. сигнал с первичного прибора передается без потерь. Также необходимо учитывать инерционность используемых приборов. Поэтому в передаточную функцию объекта управления необходимо заложить звено чистого запаздывания (W (p)= e^-pτ).

После определения по алгоритмической структурной схеме каналов управления объектом автоматизации необходимо выбрать оптимальный закон регулирования. По заданным показателям качества (величина перерегулирования, время переходного процесса, точность регулирования) необходимо подобрать такое корректирующее устройство, при включении которого в систему управления достигались бы желаемые показатели качества.

В качестве корректирующих средств может выступать как стандартный промышленный непрерывный регулятор (П, ПИ, ПИД), так и регулятор с рассчитанной самостоятельной передаточной функцией.

Если стоит задача повысить точность регулирования, синтез можно проводить с использованием интегрального квадратичного критерия качества.

Однако при таком способе синтеза, следует учитывать, что стремление минимизировать ошибку регулирования приведет к повышению колебательности, что, в свою очередь, может привести к потере устойчивости системы.

Если синтез проводится по степени устойчивости системы, можно применять любой из методов расчета оптимальных настроек регуляторов (графоаналитический или с помощью РАФЧХ).

Наиболее оптимальным является выбор ПИД-регулятора, который включает в себя все основные настройки и является универсальным. Модель такого регулятора имеет вид

u (t)= k_p∙x (t) + ,

где k_p – коэффициент усиления регулятора;

Т_и – постоянная времени изодрома;

Т_Д – постоянная времени дифференцирования.

При выборе типа регулятора необходимо учитывать вид объекта управления. Необходимо представить структурную схему автоматической системы регулирования и привести расчет АСР.

Чаще всего для статических объектов управления выбирается ПИ (ПИД) регулятор, который имеет в своей структуре интегрирующую составляющую, которая сводит статическую ошибку регулирования к нулю. С другой стороны, для регулирования астатических объектов управления нежелательно применять ПИ-регулятор, т.к. та же интегрирующая часть ухудшает устойчивость системы. Поэтому для таких объектов управления можно выбирать статические регуляторы (П, ПД) которые повышают запасы устойчивости.

При выборе типа регулятора и его настроек опираются на следующие показатели качества:

– степень колебательности m= , которая численно равна абсолютному значению отношения действительной части наиболее близко лежащего к оси мнимых корня характеристического уравнения к мнимой части;

– показатель колебательности М – максимальное значение амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы автоматического управления. Чем больше значение М, тем выше колебательность системы;

– степень затухания переходного процесса x, которая связана со степенью колебательности x=1-е^-2pm. Для хорошо демпфированных систем степень затухания должна составлять 90−98% за период.

Все эти три показателя являются равнозначными. Кроме того, при выборе типа регулятора следует опираться на вид переходного процесса, который должен быть получен в результате синтеза: апериодический без перерегулирования; с 20% перерегулированием; по минимуму интегрального квадратичного критерия качества.

Составляется структурная схема системы.

Приводится расчет надежности АСР и расчет оптимальных настроек регулятора.

В результате синтеза САУ должна обладать желаемыми показателями качества, т.е. такими, которые требует технологический регламент ведения процесса.

Выводы по главе. По каждому пункту раздела формулируется вывод и оформляется в виде самостоятельного абзаца.

Разработка функциональной схемы автоматизации технологического процесса. В процессе проектирования систем автоматизации технологических процессов все основные технические решения по автоматизации установок, агрегатов или отдельных узлов технологического процесса отображаются на функциональных схемах автоматизации.

Функциональная схема автоматизации является основным проектным документом, определяющим структуру и уровень автоматизации технологического процесса объекта и оснащение его приборами и средствами автоматизации, в том числе средствами вычислительной техники. Функциональные схемы представляют собой чертежи, на которых при помощи условных изображений показывают технологическое оборудование, коммуникации, органы управления, приборы и средства автоматизации, средства вычислительной техники и другие агрегатные комплексы с указанием их связей между приборами и средствами автоматизации.

Функциональные схемы разрабатываются на основании анализа работы технологического оборудования и агрегатов, законов и критериев управления объектом, а также требований, предъявляемых к качеству систем автоматизации, таких как точность поддержания технологических параметров, качество регулирования и надежность.

При этом должны быть решены следующие вопросы:

– определены оптимальные объемы (уровень) автоматизации;

– установлены технологические параметры, подлежащие автоматическому регулированию, уточнены пределы их измерений, выбраны методы измерения этих параметров с последующим подбором технических средств для их реализации;

– определено технологическое оборудование, которое управляется автоматически, дистанционно или телемеханически;

– определены объемы необходимых автоматических защит и блокировок;

– произведен выбор основных технических средств автоматизации, наиболее полно отвечающих предъявленным требованиям и условиям работы автоматизированных технологических установок;

– размещены приборы и аппаратура на щитах и пультах центральных пунктов управления и определены способы представления требуемой информации о ходе технологического процесса.

Несмотря на практически неограниченное разнообразие технологических процессов, условий их функционирования и требований к управлению, можно сформулировать некоторые общие принципы, которыми можно руководствоваться при проектировании схем автоматизации.

В процессе разработки функциональных схем должны учитываться не только существующие требования технологических процессов, но и перспективы их модернизации и развития, а также особенности развития технических средств автоматизации и опыт их внедрения для того, чтобы в дальнейшем обеспечивалась возможность наращивания функций системы управления.

Уровень охвата технологического процесса системой автоматического управления определялся целесообразностью внедрения определенного комплекса технических средств и достигнутого уровня научно-технических разработок.

При разработке функциональных схем должны быть решены вопросы о взаимосвязи с системой АСУП.

Системы автоматизации технологических процессов должны строиться на базе серийно выпускаемых средств автоматизации и вычислительной техники.

В качестве локальных средств сбора и накопления первичной информации (датчиков), вторичных приборов, регулирующих и исполнительных устройств следует использовать преимущественно приборы и средства автоматизации с одним типом используемой вспомогательной энергии.

При построении схем автоматизации и выбора технических средств должны учитываться: вид и характер производственного процесса, условия пожаро- и взрывоопасности, агрессивности и токсичности окружающей среды и т.д; параметры и физико-химические свойства измеряемой среды; расстояния от мест установки датчиков, исполнительных механизмов и запорных органов до пунктов управления и контроля; требуемая точность и быстродействие.

Выбор аппаратуры автоматизации с точки зрения рода вспомогательной энергии (электрической, пневматической и гидравлической) определяется условиями пожаро- и взрывоопасности автоматизируемого объекта, дальностью передачи сигналов информации и управления.

Следует выбирать аппаратуру с тем классом точности, который определяется действительными требованиями автоматизируемой установки. Обычно чем выше класс точности измерительной аппаратуры, тем более сложной является конструкция приборов и выше их стоимость.

Для наиболее ответственных узлов и систем автоматизации в проектах следует выполнять расчеты надежности для приближенной оценки соответствия полученной надежности требуемой.

Необходимо применять однотипные средства автоматизации предпочтительно унифицированных систем, характеризуемых простотой сочетания, взаимозаменяемостью и удобством компоновки на щитах управления. Использование однотипной аппаратуры дает значительные эксплуатационные преимущества как с точки зрения ее обслуживания, так и в отношении обеспечения запасными частями, ремонта, настройки.

При централизованном управлении следует применять современные автоматические системы централизованного управления, контроля, что способствует снижению затрат на автоматизацию, разгрузке операторов от постоянного наблюдения за показаниями приборов.

Количество приборов, аппаратуры управления и сигнализации, сосредоточенных на щитах и пультах управления, должно быть ограниченным. Излишек аппаратуры является не менее вредным, чем ее недостаток.