Анализ технологического процесса и выбор параметров контроля и регулирования
В.П. Кобринец, В.Д. Лебедев, У.Я. Максимов
АВТОМАТИКА, АВТОМАТИЗАЦИЯ
И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ
Рекомендовано
учебно-методическим объединением высших учебных заведений Республики Беларусь по химико-техническому образованию в качестве учебно-методического пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по химико-технологических специальностям
Минск 2007
УДК 681.5(075.8)
ББК 32.905я73
К90
Рецензенты:
Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов БНТУ (заведующий кафедрой кандидат технических наук Г.И. Гульков);
Директор УП «Куолити», кандидат технических наук
А.А. Василенка
Все права на данное издание охраняются. Возобновление всей книги или её части не может быть осуществлено без разрешения учреждения образования
«Белорусский национальный технический университет».
Кобринец, В.П.
К90 Автоматика, автоматизация и автоматизированные системы управления технологическими процессами: учебно-методическое пособие по курсовому и дипломному проектированию для студентов химико-технологическим специальностям/ В.П. Кобринец, В.Д. Лебедев, У.Я. Максимов.-Минск: БНТУ, 2007.-83с.
ISBN 978-985-434-774-5
Пособие содержит состав и методику разработки основных разделов курсовой и части дипломной работы по курсу «Автоматика, автоматизация и АСК ТП», примеры для разработки отдельных разделов и справочные данные по приборам и средствам автоматизации химико-технологических процессов.
УДК 681.5(075.8)
ББК 32.905я73
© УО «Белорусский национальный
Технологический университет», 2007
© Кобринец В.П., Лебедев В.Д.,
Максимов У. Я., 2007
ISBN 978-985-434-774-5
ВВЕДЕНИЕ
Одно из основных направлений решения производственных задач связано с широким использованием средств автоматизации.
При проектировании современных технологических процессов требуется выполнить значительный объём работ, связанный с анализом технологического процесса как объекта автоматизации, выбором технологических параметров контроля и регулирования, технических средств автоматизации и разработки схем автоматизации.
Все эти задачи должны быть решены с учётом особенностей каждого производственного процесса при выполнении курсовой работы по курсу «Автоматика, автоматизация и АСК ТП» и раздела «Автоматизация производства» в дипломном проекте.
В учебно-методическом пособии приведена методика выполнения указанных выше работ, справочные данные по техническим средствам автоматизации и примеры разработки некоторых разделов курсовой и дипломной работ с учётом программы по курсу «Автоматика, автоматизация и АСК ТП».
Проект по автоматизации должен содержать текстовую и графическую части, соответствовать правилам оформления, которые приведены в СТП 001-2002 [1].
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
Выбор регулируемых параметров технологического процесса, которые поддерживаются на заданных значениях, делается только после детального ознакомления с процессом и его материальном балансе.
Качество продукции является основным регулируемым параметром на любом предприятии. Под термином «качество» подразумеваются разные параметры: в процессе сушки – содержание влажности в продукции; в теплообменнике – температура или энтальпия выходного потока; в ректификационной колонне – чистота дистиллята или кристаллического остатка; в пароперегревателе – температура пара.
Регулирование каждой установки производства должно обеспечивать изменение продуктивности при неизменном качестве продукта, когда это будет вызвано необходимостью изменения режима работы следующей установки.
Такие параметры, как уровень жидкости, вес и давление принципиально связаны с регулированием запаса. Без их регулирования невозможно сохранить материальный или энергетический баланс.
Каждая производственная установка имеет хотя бы один подобный контур регулирования, а зачастую и больше.
При проектировании систем автоматизации производственных процессов определяются величины, которые необходимо контролировать и регулировать, а также определяются пункты введения управляющих воздействий и каналы их прохождения по объекту. С этой целью составляют схему взаимных воздействий величин объекта, выделяют основные и дополнительные каналы прохождения сигналов, а потом составляют отдельные контуры регулирования, которые компенсируют влияние возмущений. При необходимости основные контуры регулирования соединяют между собой, а величины, которые контролируют, выбирают так, чтоб их счёт был минимальным, но достаточным для полного представления хода технологического процесса.
Исполнительные воздействия вносят с помощью исполнительных приспособлений, которые меняют материальные или тепловые потоки. При разработке систем автоматизации выбирают один или несколько показателей эффективности процесса, выделяют необходимые границы, находят статические и динамические характеристики процесса. Анализ статических характеристик позволяет оценить степень влияния одних параметров на другие и выявить те регулируемые величины, которые оказывают максимальное влияние на объект. Когда объект имеет несколько независимых величин, их регулируют отдельно. По динамическим особенностям выбирают такие пункты приложения управляющих воздействий, которые обеспечивают наиболее быстрое изменение регулируемых величин.
В качестве примера анализа технологического процесса как объекта управления рассмотрим барабанную прямоточную сушилку (на рис.1.1.).
Она состоит из топки 1, камеры смешивания 2, крутильного барабана 3, загрузчика орудия 4, разгрузочные конструкции 5, циклона 6, дымососа 7, который создаёт разрежение.
В топке размещается горелка, к которой подводится топливо и воздух. Топливные газы с высокой температурой поступают в специальную камеру для смешивания с воздухом. С пониженной температурой они поступают в барабаны, где отдают своё тепло на испарение влажности из материала. На выходе с барабана газы попадают в циклон, где осаждается пыль, а лёгкие частицы и воздух выбрасываются в атмосферу.
Влажный материал подаётся в переднюю часть барабана 3, где он перемешивается и перемещается. Скорость перемещения материала зависит от уклона барабана, частоты вращения и скорости движения газа.
Задача управления процессом – получить материал заданного качества при заданной продуктивности установки.
Какие факторы или показатели существенны для процесса сушки?
Все эти параметры можно разделить на входные и выходные. К входным воздействиям относят: Мм – влажность материала на входе в сушилку; Fm – расход материала; Qm – температура материала; Gm – гранулометрический состав материала; Qп1, Fп1, Pп1 – соответственно температура, расход и давление изначального воздуха; Qп2, Fп2, Pп2 – температура, расход и давление вторичного воздуха соответственно; Fп, Pп – расход и давление топлива; ῳ6 – частота вращения барабана; α – состояние заслонки дымохода. Выходными показателями процесса являются: M, Q, F – соответственно влажность, температура и расход высушенного материала; Mг, Qг, Fг - влажность, температура и расход газов на выходе; Qт, Pт – температура и разрежение в топке; Qб – температура внутри барабана.
Многолетней практикой выделены наиболее основные факторы из перечисленных выше. Основными нарушениями режима сушильного барабана на входе являются расход Fм и влажность Mм материала, начальная температура Qц и расход Fц теплоносителя, разрежение в топке Pт, частота вращения барабана ῳ6.
На выходе из барабана определяющими параметрами могут быть остатки влажности M и температура высушенного материала Q, влажность Mг и температура Qг газов, которые выходят. Названные параметры отражены на структурной схеме (рис.1.2).
Влажность сухого материала определяется, с одной стороны, количеством влажности, которое попадает с влажным материалом, а с другой – количеством влажности, которое выводится из него в процессе сушки. Первая часть влажности зависит от расхода материала и его начальной влажности.
Расход материала определяется производительностью сушилки, которая должна быть постоянной. Поэтому нужно идти путём стабилизации расхода влажного материала, что обеспечивает заданную производительность и ликвидацию возмущений по данному каналу. С этой целью устанавливают автоматические дозаторы.
Влажность Mм материала на входе зависит от технологических режимов предыдущих процессов. Изменение этого параметра создаёт сильные возмущения в объекте.
Сушильный агрегат имеет несколько управляющих параметров, в том числе таких хорошо регулируемых, как расход, разрежение, температура.
Сильным управляющим воздействием является и частота вращения барабана, но в связи со сложностью регулирования привода это воздействие используют только для небольших сушилок.
В качестве основного регулируемого параметра принимают конечную влажность материала M, измерение которой позволяет воздействовать на расход топлива.
Перспективным решением, основанным на использовании психрометра, является использование комбинированных систем автоматического регулирования (САР).
Выпаривание по длине барабана происходит по нелинейному закону, близкому к экспоненциальному. При этом конечная влажность M материала даже при отсутствии регулирования будет иметь меньшую дисперсию, чем начальная влажность Mм. Таким образом, при прочих равных условиях увеличение Mм обязательно вызывает увеличение разности Mм – M и появление регулирующего воздействия. Эта разница тем больше, чем дальше от барабана измеряется температура газов.
Для обеспечения наиболее выгодного режима горения топлива и необходимой тяги используют системы автоматического регулирования соотношения топлива - воздуха в топке сушилки.
Сушильный барабан обладает экстремальной характеристикой продуктивности в зависимости от значения скорости сушильного агента и его температуры, но эта характеристика нестабильная. Можно уменьшить потребление топлива, установив определённую скорость сушки в барабане. Она определяется по скорости изменения температуры сушильного агента. Это можно определить, если установить в барабане на фиксированном расстоянии друг от друга две термопары.
При управлении процессом сушки необходимо контролировать расходы топлива, первичного и вторичного воздуха, влажного и сухого материала, температуру сушильного агента на входе в сушилку и на выходе из неё, температуру в сушилке, разрежение в смесительной камере.
Схема автоматизации должна предусматривать следующие мероприятия безопасного ведения процесса сушки: контроль и сигнализация давления топлива и наличия огня, так как снижение давления газа может привести к погасанию факела и возникновению взрывоопасной ситуации; контроль разрежения в топке, снижение которого ведёт к неустойчивому горению факела, препятствует проникновению дымовых газов; измерение состава CO (или O2) в отработанных газах для контроля полноты сгорания топлива в топке. Система автоматизации должна предвидеть отключение подачи газа в результате погасания факела или отрыва огня от горелок или розжигов при аварийном падении давления газа, недостаточной тяге в топке. Все сигналы аварийного отключения подачи газа, как правило, выводятся на щит оператора.
После анализа параметров технологического процесса, подвергающихся контролю и регулированию, их записывают в табл. 1.1. В качестве примера в таблице даны технологические параметры для процесса сушки сырой стружки в барабанной сушилки.
Таблица 1.1