microbik.ru
1 2 ... 10 11
ГЛАВА 2

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТИПОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

2.1. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫБОРА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ*

Общая задача управления технологическим процессом формули­руется обычно как задача максимизации (минимизации) неко­торого критерия (себестоимости, энергозатрат, прибыли) при выполнении ограничений на технологические параметры, накла­дываемых регламентом. Решение такой задачи для всего про­цесса в целом очень трудоемко, а иногда практически невоз­можно ввиду большого числа факторов, влияющих на ход про­цесса. Поэтому весь процесс разбивают на отдельные участки,. которые характеризуются сравнительно небольшим числом пере-

,*В данной главе рассматриваются наиболее характерные особенности регулирования основных технологических параметров и процессов. На основе-уравнении материального и теплового баланса аппаратов проводится анализ их как объектов регулирования и дается выбор вариантов систем регулирова­ния, начиная с простейших одноконтурных АСР с постепенным усложнением схем. В разделах, посвященных автоматизации реакторов, теплообменников и ректификационных колонн, на примере простейших аппаратов иллюстриру­ется методика вывода линеаризованных моделей статики и динамики техноло­гических объектов с сосредоточенными и распределенными параметрами, кото­рые могут быть использованы при расчете систем регулирования.

95»

95

менных. Обычно эти участки совпадают с законченными техно­логическими стадиями, для которых могут быть сформулиро­ваны свои подзадачи управления, подчиненные общей задаче управления процессом в целом.

Задачи управления отдельными стадиями обычно направле-.ны на оптимизацию (в частном случае, стабилизацию) техноло­гического параметра или критерия, легко вычисляемого по из­меренным режимным параметрам (производительность, кон-.центрация продукта, степень превращения, расход энергии). Оптимизацию критерия проводят в рамках ограничений, задавае­мых технологическим регламентом. На основании задачи опти­мального управления отдельными стадиями процесса формули­руют задачи автоматического регулирования технологических параметров для отдельных аппаратов.

. Важным этапом в разработке системы автоматизации явля­ется анализ основных аппаратов как объектов регулирования, т. е. выявление всех существенных входных и выходных перемен­ных и анализ статических и динамических характеристик кана­лов возмущения и регулирования. Исходными данными при этом служат математическая модель процесса и (как первое прибли­жение) статическая модель в виде уравнений материального и теплового балансов. На основе этих уравнений с учетом реаль­ных условий работы аппарата все существенные факторы, влияющие на процесс, разбиваются на следующие группы.

Возмущения, допускающие стабилизацию. К ним относят независимые технологические параметры, кото­рые могут испытывать существенные колебания, однако по ус­ловиям работы могут быть стабилизированы с помощью авто­матической системы регулирования. К таким параметрам обыч­но относятся некоторые показатели входных потоков. Так, рас­ход питания можно стабилизировать, если перед аппаратом имеется буферная емкость, сглаживающая колебания расхода на выходе из предыдущего аппарата; стабилизация температу­ры питания возможна, если перед аппаратом установлен тепло­обменник, и т. п. Очевидно, при проектировании системы управ­ления целесообразно предусмотреть автоматическую стабилиза­цию таких возмущений. Это позволит повысить качество управ­ления процессом в целом. В простейших случаях на основе таких систем автоматической стабилизации возмущений строят разомкнутую (относительно основного показателя процесса) си­стему автоматизации, обеспечивающую устойчивое ведение про-.цесса в рамках технологического регламента.

Контролируемые возмущения. К ним условно от­носят те возмущения, которые можно измерить, но невозможно или недопустимо стабилизировать (расход питания, подаваемо­го непосредственно из предыдущего аппарата; температура ок­ружающей среды и т. п.). Наличие существенных нестабилизи­руемых возмущений требует применения либо замкнутых по основному показателю процесса систем регулирования, либо


96
комбинированных АСР, в которых качество регулирования по­вышается введением динамической компенсации возмущения.

Неконтролируемые возмущения. К ним относятся те возмущения, которые невозможно или нецелесообразно изме­рять непосредственно. Первые — это падение активности ката­лизатора, изменение коэффициентов тепло- и массопередачи и т. п. Примером вторых может служить давление греющего пара в заводской сети, которое колеблется случайным образом и является источником возмущения в тепловых процессах. Вы­явление возможных неконтролируемых возмущений — важный этап в исследовании процесса и разработке системы управления. Наличие таких возмущений требует, как и в предыдущем слу­чае, обязательного применения замкнутых по основному пока­зателю процесса систем автоматизации.

Возможные регулирующие воздействия. Это материальные или тепловые потоки, которые можно изменять автоматически для поддержания регулируемых параметров.

Выходные переменные. Из их числа выбирают ре­гулируемые координаты. При построении замкнутых систем ре­гулирования в качестве регулируемых координат выбирают тех­нологические параметры, изменение которых свидетельствует о нарушении материального или теплового баланса в аппарате. К ним относятся: уровень жидкости — показатель баланса по жидкой фазе; давление — показатель баланса по газовой фазе; температура — показатель теплового баланса в аппарате; кон-' центрация — показатель материального баланса по компоненту.

Анализ возможных регулирующих воздействий и выходных координат объекта позволяет выбрать каналы регулирования для проектируемых АСР. При этом в одних случаях решение определяется однозначно, а в других имеется возможность вы­бора как регулируемой координаты, так и регулирующего воз­действия для заданного выхода. Окончательный выбор каналов регулирования проводят па основе сравнительного анализа ста­тических и динамических характеристик различных каналов. При этом учитывают такие показатели, как коэффициент уси­ления, время чистого запаздывания, его отношение к наиболь­шей постоянной времени канала t(см. разд. 1.4).

На основе анализа технологического процесса как объекта регулирования проектируют систему автоматизации, обеспечи­вающую решение поставленной задачи регулирования. Начина­ют с проектирования одноконтурных АСР отдельных парамет­ров: они наиболее просты в наладке и надежны в работе, по­этому широко используются при автоматизации технологических объектов.

Однако при неблагоприятных динамических характеристи­ках каналов регулирования (большом чистом запаздывании, большом отношении т/Г) даже в случае оптимальных настроек регуляторов качество переходных процессов в одноконтурных АСР может оказаться неудовлетворительным. Для таких объ-


97

ектов анализируют возможность построения многоконтурных АСР, в которых качество регулирования можно повысить, ус­ложняя схемы автоматизации, т. е. применяя каскадные, ком­бинированные, взаимосвязанные АСР.

Окончательное решение о применении той или иной схемы ав­томатизации принимают после моделирования различных АСР и сравнения качества получаемых процессов регулирования.

2.2. РЕГУЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

К основным технологическим параметрам, подлежащим контро­лю и регулированию в химико-технологических процессах, отно­сят расход, уровень, давление, температуру, значение рН и по­казатели качества (концентрацию, плотность, вязкость и др.)*. Регулирование расхода. Необходимость регулирования расхода возникает при автоматизации практически любого непрерывно­го процесса. АСР расхода, предназначенные для стабилизации возмущений по материальным потокам, являются неотъемлемой частью разомкнутых систем автоматизации технологических про­цессов. Часто АСР расхода используют как внутренние конту­ры в каскадных системах регулирования других параметров. Для обеспечения заданного состава смеси или для поддержания материального и теплового балансов в аппарате применяют си­стемы регулирования соотношения расходов нескольких веществ в одноконтурных или каскадных АСР.

Системы регулирования расхода характеризуются двумя особенностями: малой инерционностью собственно объекта регу­лирования; наличием высокочастотных составляющих в сигна­ле изменения расхода, обусловленных пульсациями давления в трубопроводе (последние вызваны работой насосов или комп­рессоров или случайными колебаниями расхода при дроссели­ровании потока через сужающее устройство).

На рис. 2.1 дана принципиальная схема объекта при регули­ровании расхода. Обычно таким объектом является участок тру­бопровода между точкой измерения расхода (например, местом установки сужающего устройства 1) и регулирующим орга­ном 2. Длина этого участка определяется правилами установки сужающих устройств и регулирующих органов и составляет обычно несколько метров. Динамика канала «расход вещества через клапан — расход вещества через расходомер» приближен­но описывается апериодическим звеном первого порядка с чи­стым запаздыванием. Время чистого запаздывания обычно со-

  • Основы измерения этих параметров, автоматические приборы контроля и исполнительные устройства изучают в курсах «Технологические измерения и приборы> и «Технические средства автоматизации». Здесь рассмотрены осо­бенности регулирования этих параметров с учетом статических и динамиче­ских характеристик каналов регулирования, приборов контроля и средств автоматизации и приведены примеры наиболее распространенных систем ре­гулирования некоторых параметров.


98


ставляет доли секунд для газа и несколько секунд — для жид­кости; значение постоянной времени — несколько секунд.

Ввиду малой инерционности объекта регулирования особые требования предъявляются к выбору средств автоматизации и методов расчета АСР. В частности, в промышленных установках инерционность цепей контроля и регулирования расхода стано­вится соизмеримой с инерционностью объекта, и ее следует учи­тывать при расчете систем регулирования.

Приближенная оценка чистого запаздывания и постоянных времени отдельных элементов цепи показывает (рис. 2.2), что современные первичные преобразователи расхода, построенные на принципе динамической компенсации, можно рассматривать как усилительные звенья. Исполнительное устройство аппрокси­мируется апериодическим звеном первого порядка, постоянная времени которого составляет несколько секунд, причем быстро­действие исполнительного устройства существенно повышается при использовании позиционеров. Импульсные линии, связы­вающие средства контроля и регулирования, аппроксимируются апериодическим звеном первого порядка с чистым запаздыва­нием, параметры которого определяются длиной линии и лежат в пределах нескольких секунд. При больших расстояниях меж­ду элементами цепи необходимо по длине импульсной линии устанавливать дополнительные усилители мощности.

4 Вследствие малой инерционности объекта рабочая частота может оказаться выше максимальной, ограничивающей область нормальной работы промышленного регулятора, в пределах ко­торой реализуются стандартные законы регулирования. За пре­делами этой области динамические характеристики регуляторов отличаются от стандартных, вследствие чего требуется введение • поправок на рабочие настройки с учетом фактических законов регулирования.

1 Выбор законов регулирования диктуется обычно требуемым качеством переходных процессов. Для регулирования расхода






без статической погрешности в од­ноконтурных АСР применяют ПИ — регуляторы. Если АСР расхода яв­ляется внутренним контуром в кас­кадной системе регулирования, ре-

99



гулятор расхода может осуществлять П-закон регулирования. При наличии высокочастотных помех в сигнале расхода приме­нение регуляторов с дифференциальными составляющими в за­коне регулирования без предварительного сглаживания сигнала может привести к неустойчивой работе системы. Поэтому в про­мышленных АСР расхода применение ПД- или ПИД-регулято-ров не рекомендуется.

В системах регулирования расхода применяют один из трех способов изменения расхода:

дросселирование потока вещества через регулирующий ор­ган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, за­слонка);

изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии (например, изменением числа оборотов дви­гателя насоса или угла поворота лопастей вентилятора);

байпасирование, т. е. переброс избытка вещества из основ­ного трубопровода в обводную линию.

Регулирование расхода после центробежного насоса осу­ществляется регулирующим клапаном, устанавливаемым на на­гнетательном трубопроводе (рис. 2.3,а). Если для перекачива­ния жидкости используют поршневой насос, применение подоб­ной АСР недопустимо, так как при работе регулятора клапан может закрыться полностью, что приведет к разрыву трубопро­вода (или к помпажу, если клапан установлен на всасе насоса). В этом случае для регулирования расхода используют байпаси­рование потока (рис. 2.3,6).

Регулирование расхода сыпучих веществ осуществляется из­менением степени открытия регулирующей заслонки на выходе из бункера (рис. 2.4, а) или изменением скорости движения лен­ты транспортера (рис. 2.4,6). Измерителем расхода при этом может служить взвешивающее устройство, которое определяет массу материала на ленте транспортера.

Регулирование соотношения расходов двух веществ можно осуществлять по одной из трех схем, описанных ниже.

1. При незаданной общей производительности расход одного вещества (рис. 2.5, a) G1, называемый «ведущим», может ме­няться произвольно; второе вещество подается при постоянном соотношении у с первым, так что «ведомый» расход равен yg1.


100



Рис. 2.4. Схемы регулирования расхода сыпучих веществ:

а — изменением степени открытия регулирующей заслонки; б — изменением скорости дви-уычшя транспортера, 1 — бункер; 2 — транспортер; 3 — регулятор; 4 — регулирующая за­слонка; 5 — электродвигатель

Иногда вместо регулятора соотношения используют реле соот­ношения и обычный регулятор для одной переменной (рис. 2.5,б). Выходной сигнал реле 6, устанавливающего задан­ный коэффициент соотношения y, подается в виде задания регу­лятору 5, обеспечивающему поддержание «ведомого» расхода.

  1. При заданном «ведущем» расходе кроме АСР соотноше­
    ния применяют и АСР «ведущего» расхода (рис. 2.5,в). При та­
    кой схеме в случае изменения задания по расходу g1 автомати­
    чески изменится и расход gz (в заданном соотношении с g1).


  2. АСР соотношения расходов является внутренним конту­
    ром в каскадной системе регулирования третьего технологиче­
    ского параметра у (например, температуры в аппарате). При




Рис. 2.5. Схемы регулирования соотношения расходов:

а, б — при незаданной общей нагрузке, в — при заданной общей нагрузке, г — при за­данной общей нагрузке и коррекции коэффициента соотношения по третьему параметру; /, 2 — измерители расхода, 3 — регулятор соотношения; 4, 7 — регулирующие клапаны; 5 — регулятор расхода, 6 — реле соотношения, 8 — регулятор температуры; 9 — устрой­ство ограничения


101

этом заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в зависимости от этого параметра так что G2 = y(y)G1 (рис. 2.5, г). Как отмечалось выше, особенность па-стройки каскадных АСР состоит в том, что на задание внутрен­нему регулятору устанавливают ограничение xph p pB. Для АСР соотношения расходов это соответствует ограничению yh < y<yb- Если выходной сигнал внешнего регулятора выходит за пределы рн, xpB], то задание регулятору соотношения оста­ется на предельно допустимом значении у (т. е. yн или yb)-Регулирование уровня. Уровень является косвенным показатe-лем гидродинамического равновесия в аппарате. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального баланса, когда приток жидкости равен стоку, и скорость изменения уров­ня равна нулю. Следует отметить, что «приток» и «сток» здесь являются обобщенными понятиями. В простейшем случае, когда в аппарате не происходят фазовые превращения (сборники, про­межуточные емкости, жидкофазные реакторы), приток равен расходу жидкости, подаваемой в аппарат, а сток — расходу жидкости, отводимой из аппарата. В более сложных процессах, сопровождающихся изменением фазового состояния веществ, уровень является характеристикой не только гидравлических, но и тепловых и массообменных процессов, а приток и сток учи­тывают фазовые превращения веществ. Такие процессы проте­кают в испарителях, конденсаторах, выпарных установках, рек­тификационных колоннах и т. п.

В общем случае изменение уровня описывается уравнением вида







где S— площадь горизонтального (свободного) сечения аппарата; Gвx, Gвых—расходы жидкости на входе в аппарат и выходе из него; Gоб — ко­личество жидкости, образующейся (или расходуемой) в аппарате в единицу времени.

В зависимости от требуемой точности поддержания уровня применяют один из следующих двух способов регулирования:

1) позиционное регулирование, при котором уровень в аппа­рате поддерживается в заданных, достаточно широких преде-



лах: lh b. Такие системы регулирования устанавливают на сбор­никах жидкости или про­межуточных емкостях

Рис. 2.6. Пример схемы пози­ционного регулирования уров­ня:


следующая страница >>