книги / Разработка концепции и требований к системам управления технологическими процессами. Примеры отдельных технических решений

91

Компенсация возможных возмущений

Для компенсации возможных возмущений по каналу расхода необходимо стабилизировать расход теплофикационной воды в рубашку смесителя СПД. Температуру в смесителе будем регулировать путем изменения подачи пара в теплообменник Т-1. Для предотвращения возможных возмущений по каналу расхода пара необходимо стабилизировать расход пара в теплообменник Т-1. Заданием для регулятора расхода пара будет являться выход с регулятора температуры, который является корректирующим контуром в каскадной схеме регулирования температуры в смесителе СПД.

Выбор и обоснование используемых алгоритмов управления

Смеситель СПД по каналу температуры можно охарактеризовать апериодическим звеном второго порядка. В качестве управляющего параметра принимаем температуру теплоносите-

ля (рис. 22).

Поскольку на температуру процесса непосредственное влияние оказывают температура теплофикационной воды и, в меньшей степени, расход теплофикационной воды, для наиболее точного поддержания температуры смеси необходимо зафиксировать значение одного параметра, а другим – управлять процессом.

В данном случае для регулирования температуры в смесителе наиболее подходит каскадная схема управления, в которой в качестве управляющего контура принимаем температуру смеси а в качестве стабилизирующего – расход пара в теплообменник Т-1.

Для исключения влияния изменения расхода теплофикационной воды на температуру смеси расход теплофикационной воды должен поддерживаться на постоянном значении, что реализуется применением одноконтурной САУ по отклонению.

92

Регулятор температуры смеси

FC

T-1

СПД Вода

Конденсат

Рис. 22. Схема контуров регулирования, примененных для стабилизации температуры смеси

Расход – это малоинерционный, динамический параметр. На него оказывают влияние пульсация давления среды под воздействием рабочего органа насоса, динамика потребления другими объектами. В таких процессах дифференциальная составляющая регулятора, которая мгновенно и резко реагирует на скорость изменения параметра, может привести к усилению пульсаций расхода, что может послужить причиной возникновения аварийных ситуаций и аварийного останова объекта. Интегральная же составляющая будет сглаживать резкие пульсации. Поэтому для управления расходом целесообразно применять ПИ-закон регулирования.

Температура – высокоинерционный параметр. Дифференциальная составляющая в данном случае при малейшем отклонении значения температуры будет стараться вернуть его в исходное состояние, что значительно сокращает время регулирования. Поэтому для управления температурой целесообразно применять ПИД-закон регулирования.

Всвязи с этим для регулирования как расхода пара, так

ирасхода теплофикационной воды принят ПИ-закон регулиро-

93

вания, а для управления температурой смеси в аппарате – ПИДзакон (рис. 23).

Рис. 23. Структурная схема каскадной системы регулирования

Принятыеобозначения:

WO1 ( p) – передаточная функция объекта управления по каналу регулирования температуры вСПР;

WO2 ( p) – передаточная функция объекта управления по каналу регулирования расхода пара;

WР1 ( p) – передаточная функция регулятора по каналу регулирования температуры в СПР;

WР2 ( p) – передаточная функция регулятора по каналу регулирования расхода пара;

µ1 , µ 2 – управляющие воздействия 1-го и 2-го регуляторов соответственно;

ξ1, ξ2 – рассогласования 1-го и 2-го регуляторов соответственно;

λ, λ1 , λ2 – возмущающие воздействия;

Z – задание;

X – входное воздействие объекта управления;

Y – регулируемый параметр объекта управления по каналу регулирования температуры в СПР;

Y′ – регулируемый параметр объекта управления по каналу регулирования расхода пара.

94

Управление температурой смеси в СПД рассматриваем как сложный объект, в котором стабилизирующий контур (регулирование расхода греющего пара) – малоинерционный процесс. Передаточная функция объекта управления по каналу регулирования расхода пара имеет вид

WO2 ( p) = k О2 (TО2 1p +1) e −τ2 p .

Для регулирования расхода греющего пара применен ПИ-закон регулирования. Передаточная функция регулятора будет иметь вид

Корректирующий контур (регулирование температуры смеси в СПД) – высоко-инерционный процесс, его передаточная функция имеет вид

Для регулирования температуры смеси в СПД применен ПИД-закон регулирования. Передаточная функция регулятора имеет вид

Все технологические параметры, реализуемые в АСУТП, приведены в перечне входных и выходных сигналов.

95

Техническое обеспечение АСУТП. Выбор технических средств автоматизации. Выбор управляющего вычислительного комплекса

В связи с тем, что рассматриваемая установка работает в составе более крупного производства, а также в силу важности технологического процесса для народного хозяйства, для построения верхнего уровня АСУТП использован комплекс «Квинт СИ» разработки «НИИТеплоприбор».

Из состава комплекса использовано следующее оборудование и программные средства.

1.Контроллер «Ремиконт Р-380» в исполнении «Одиночный управляющий контроллер» для решения задач управления.

2.Контроллер «Ремиконт Р-380» в исполнении «Кластерный защитный контроллер» для решения задач ПАЗ.

Система ввода-вывода сигналов с УСО контроллера обеспечивает ввод/вывод сигналов следующих типов:

•входные аналоговые сигналы;

•выходные аналоговые сигналы;

•выходные дискретные сигналы;

•входные дискретные сигналы;

•входные числоимпульсные сигналы.

Выбор оборудования КИПиА

При выборе оборудования необходимо учесть следующие условия эксплуатации оборудования и особенности технологии:

1.В технологическом процессе используются ЛВЖ, пары которого могут находиться в технологическом помещении даже при нормальном режиме ведения процесса (помещение относится к категории ВIа по ПУЭ). Оборудование должно использоваться во взрывозащищенном исполнении (Ex).

2.При загрузке полимерной основы возможно пылеобразование в виде мелкодисперсной фракции. Поэтому оборудование, устанавливаемое на технологической площадке, должно иметь

97

оболочку со степенью защиты от проникновения влаги и пыли не ниже IP64.

3.Использование двигателей и запорно-регулирующей арматуры предусматривает наличие вибрации, таким образом, оборудование, находящееся на трубопроводе, должно быть устойчиво к вибрации.

4.Использование силового оборудования предусматривает наличие электромагнитных полей от которых оборудование должно иметь защиту.

5.Технологический процесс проводится в здании, поэтому оборудование должно выдерживать температуру окружающей среды в диапазоне от 5 до 55 °С. По климатическому исполнению должно соответствовать марке УХЛ.

6.Агрессивные среды в производстве отсутствуют.

Приборы измерения температуры

Рабочее значение измеряемой температуры в реакторе 60...70 °С. Для измерения температур до 300 °С рекомендуется использовать термометры сопротивления (термопары рекомендованы для измерения более высоких температур). Кроме того, термометр сопротивления предназначен для измерения температуры в объеме аппарата. Поэтому для измерения температуры приготавливаемой смеси (поз. 101, приложение) выбран термометр сопротивления платиновый «Метран-286». В основе метода измерения лежит зависимость электрического сопротивления чистых металлов, сплавов и полупроводников с температурой (с повышением температуры у металлов сопротивление увеличивается, а у полупроводников – уменьшается).

Назначение прибора: для измерения температуры жидких и газообразных химически неагрессивных сред, а также агрессивных, не разрушающих материал защитной арматуры во взрывоопасных зонах и помещениях, в которых могут содержаться аммиак, азотоводородная смесь, углекислый или природный газы.

98

Модель прибора ТСП Метран-286 02 Exd 1 100/120

Н10 (–50...300) У1.1 ГП G1

Выходной сигнал 4–20 мА/HART Маркировка взрывозащиты: 1ExdIICT6 X

Номинальная статическая характеристика преобразования (НСХ): Pt100; Класс допуска: В

Схема соединений: 4-проводная Диапазон измеряемых температур: –50...300 °С Материал головки: сплав АК12.

Степень защиты от воздействия пыли и воды IP65 по ГОСТ 14254

Климатическое исполнение: У1.1 по ГОСТ 15150 Диапазон рабочих температур: от –50 до +120 °С Материал защитной арматуры: 12Х18Н10Т; класс точности 0,15 Условное давление 16 МПа; длина монтажной части

100 мм

Для удобства монтажа и обслуживания датчика применяем защитную гильзу серии 2000 производства компании «Метран» со следующими характеристиками:

Модель Гильза защитная 2001 03

М27×2 М20×1,5 Н10 110 мм Диаметр монтажной резьбы М27×2 Диаметр внутренней резьбы М20×1,5

Материал защитной гильзы

12Х18Н10Т

Монтажная длина 110 мм Условное давление 4 МПа

Приборы измерения расхода

Измерение расхода пара

Широкое распространение в качестве приборов для измерения расхода получили вихревые расходомеры. Они используются для измерения объемных расходов жидкостей, газов, пара. Ограничением в применении данных типов расходомеров явля-

99

ются в основном вязкие жидкости. Достоинством данных расходомеров является универсальность и экономия на их обслуживании.

Исходя из вышеперечисленного, для измерения расхода пара в теплообменник Т-1 (поз. 301) выбран вихревой расходомер DY050 (производство компании Иокогава). В основе метода измерений лежит зависимость частоты образования вихрей за вертикальным препятствием от объемного расхода среды. Назначение: измерение объемного расхода жидкости, газа, пара.

Модель DY050-EBLBD4-2N/KF2/QR

DУ = 50 мм

Подсоединение к процессу фланцевое по стандарту

EN-1092-1 Ру 40

Степень защиты от воздействия пыли и воды IP67 по ГОСТ 14254

Маркировка взрывозащиты: 1ExdIICT6 X Выходной сигнал 4...20 мА Диапазон измерения: от 0 до +5 т/ч Точность 0,75 %

Измерение расхода воды

Для измерения расхода воды, а также токопроводящих жидкостей целесообразно использовать электромагнитные расходомеры. По сравнению с другими видами расходомеров они обладают более высокой точностью и чувствительностью, что особенно сказывается при низком расходе среды. Для измерения расхода воды, подаваемой в рубашку смесителя СПД (поз. 302) для поддержания температуры, выбран электромагнитный расходомер AXF025C (производство компании Yokogawa). В основе метода измерения лежит зависимость изменения ЭДС, возникающей в проводнике (в среде), от скорости движения среды в магнитном поле. Назначение: измерение объемного расхода токопроводящей жидкости.

100