close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

kursach sushka orenburgskie mineraly (2)

код для вставкиСкачать

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский государственный горный университет
Кафедра автоматики и компьютерных технологий
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ По дисциплине "Автоматизация технологических процессов и производств"
Пояснительная записка
Руководитель проекта:Прокофьев Е.В.Выполнил студент:Гулькин Е.В.ГруппаАГП-06-2 Екатеринбург
2010
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ3
1.УПРАВЛЯЕМЫЙ ОБЪЕКТ6
1.1. Краткое описание технологической схемы комплекса6
1.2. Анализ технологического комплекса сушки как управляемого объекта8
1.3. Обоснование необходимости и эффективности автоматизации технологического комплекса10
1.4. Анализ статических и динамических свойств технологического комплекса сушки13
2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ И ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР ПО АВТОМАТИЧЕСКОМУ КОНТРОЛЮ И УПРАВЛЕНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ18
2.1. Характеристика работы аналогичных систем контроля и управления технологическим комплексом на отечественных и зарубежных фабриках18
2.2. Сравнительный анализ методов и средств автоматического контроля и управления на зарубежных и отечественных фабриках25
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА30
3.1. Структурная идентификация комплекса30
3.2. Параметрическая идентификация комплекса32
3.3. Исследование статических и динамических свойств комплекса34
4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА46
4.1. Выбор структуры управления технологическим комплексом46
4.2. Выбор принципов контроля и управления комплексом48
4.3. Аппаратурная реализация систем автоматизации комплекса49
5. СИНТЕЗ ЛОКАЛЬНОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ53
5.1. Выбор датчика53
5.2. Выбор регулятора и расчет его настроек56
5.3. Выбор исполнительного механизма и регулирующего органа60
5.4. Расчет надежности системы62
5.5. Моделирование автоматической системы регулирования64
5.6. Статическая и динамическая настройка системы67
ЗАКЛЮЧЕНИЕ68
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ69
ПРИЛОЖЕНИЕ70
ВВЕДЕНИЕ
Автоматизация обычно предназначена для уменьшения потребности в численности персонала и увеличения экономической эффективности процесса. Автоматизация обогатительных фабрик также имеет эти общие цели, а кроме них можно назвать и другие цели, достигаемые автоматизацией:
* увеличение извлечения;
* регулирование содержания концентрата - увеличение производительности процесса;
* экономия энергии;
* сокращение износа оборудования;
* охрана окружающей среды;
* удаление неприятных рабочих мест;
* увеличение разумности работы.
Многие из вышеизложенных целей являются экономическими, но человеческий аспект автоматизации также значительный.
Основой для автоматизации технологического процесса служит оперативная и точная информация о текущем состоянии процесса. С помощью этой информации можно автоматически управлять процессом, получая технико-экономические улучшения.
Сушка является важной частью процесса обогащения асбеста, но его инвестиционная стоимость дорогая и эксплуатационные расходы высокие. Если сушка не работает правильно, сам процесс обогащения теряет свою эффективность и рентабельность.
Во многих случаях сушка является узким местом производства. А когда увеличивают эффективность сушки асбеста, это сразу видно в качестве улученных показателей производства. Таким образом, правильное регулирование является основой экономики для всего предприятия.
Сушка является сложным процессом с точки зрения регулирования. Оно крайне нелинейное. Параметров регулирования много и они сильно связаны друг с другом. Контур сушки чувствителен ко многим помехам и компенсация их влияния требует регулирования. Обыкновенные контуры регулирования могут хорошо работать в некоторых случаях, но они не учитывают нарушения режима и могут полностью испортить весь процесс. Поэтому регулирование процесса сушки требует не только непрерывно работающего регулирования, а также логического управления, которое при необходимости может изменять стратегию регулирования.
При автоматизации технологических комплексов сушки решаются следующие задачи:
1. Автоматический контроль состояния технологического оборудования:
а) давления в топливной и воздушной магистралях;
б) наличия пламени факела горелок топки;
в) уровня высушенного материала в разгрузочной камере сушильного агрегата;
г) температура газов до и после электрофильтра;
д) времени работы и простоев технологического оборудования.
2. Автоматический контроль технологических параметров:
а) производительности сушильных агрегатов;
б) расходов топлива, первичного и вторичного воздуха; в) влажности высушенного продукта;
г) разрежения в топке;
д) температуры в топке, сушильном барабане, отходящих газов.
3. Автоматическая стабилизация технологических параметров:
а) производительности сушильных агрегатов;
б) температуры в топке, отходящих газов;
в) влажности высушенного продукта;
г) соотношения "топливо - воздух".
Для успешного выполнения задач автоматизации цикла сушки необходима специальная подготовка оборудования (установка регулируемых питателей, оснащение воздушных и газовой магистралей регулирующими задвижками и т.д.).
Таким образом, автоматизация улучшает экономичность процесса разными образами:
* объем производства увеличивается за счет более стабильной работы и уменьшения количества простоев;
* расход топлива и других вспомогательных материалов сокращается благодаря четкому регулированию;
* качества продукта улучшается за счет эффективного и непрерывного контроля;
* имея свежую и правильную информацию благодаря эффективному протоколированию руководство промышленного предприятия может вмешиваться в ход процесса в правильное (нужное) время.
В первом разделе курсового проекта необходимо кратко описать технологический комплекс, подлежащий автоматизации, дать классификацию входных и выходных величин комплекса, привести статические и динамические характеристики по различным каналам управления.
Во втором разделе осуществляется обзор и анализ имеющихся решений по автоматическому контролю и регулированию комплекса, их достоинства и недостатки особенности технической реализации систем управления.
В третьем разделе проводится структурная идентификация комплекса на основании системного анализа как управляемого объекта, определяются возможные каналы управления, анализируются связи между входными и выходными параметрами и представляется алгоритмическая структура математической модели заданного комплекса.
Затем проводится параметрическая идентификация комплекса, заключающаяся в расчете параметров передаточных функций отдельных элементов комплекса, и проводится исследование статических и динамических свойств комплекса на полученной математической модели.
На основании анализа результатов моделирования комплекса определяются все возможные каналы управления.
Выбор основного канала управления производится на основании анализа действия управляющих параметров на управляемые величины.
В четвертом разделе на основании библиографического и патентного обзоров составляется общая функциональная структура системы управления комплексов, приводится перечень необходимых локальных автоматических систем контроля и регулирования, осуществляется выбор технических средств автоматизации, опирающийся на использование серийно выпускаемых современных приборов и средств автоматизации.
Обосновывается необходимое и достаточное число уровней управления, наличие управляющей ЭВМ. Составляется схема автоматизации комплекса. Приводится заказная спецификация на приборы и средства автоматизации, необходимые для реализации системы управления.
В пятом разделе производится выбор элементов заданной АСР, проводится расчет надежности САР и моделирование ее с целью определения оптимальных настроек регулятора.
В заключении необходимо отметить основные преимущества проектируемой системы, возможность и перспективы развития автоматизации технологического комплекса.
[8]
1.УПРАВЛЯЕМЫЙ ОБЪЕКТ
1.1. Краткое описание технологической схемы комплекса
Киембаевское месторождение,на базе которого работает комбинат "оренбургские минералы",находится на территории Ясненского района Оренбургской области, примерно в 450 км к востоку от Оренбурга.
Киембаевское меторождение состоит из пяти залежей хризотил-асбеста общей площадью по поверхности 2,5 млн.кв.м. Расположение рудных залежей весьма благоприятное для успешной эксплуатации,что позволяет вести их разработку открытым способом в карьере. Глубина карьера составляет около 200 м, ширина-более 1400 м,длина более 2600м.
Хризотил-асбест(3MgO∙2SiO2∙2H2O)- гидросиликат магния,по химическому составу близкий хорошо известному всем минералу- тальку, т.е с химической точки зрения он абсолютно безвреден для организма. Кристаллы хризотил-асбеста имеют необычное строение: они представляют собой тончайшие полые трубочки-фибриллы. Такие кристаллы напоминают мягкие целлюлозные волокна хлопковой ваты.В то же время, будучи минералом неорганическим, волокна хризотил-асбеста не горят и выдерживают высокие температуры. Лишь при нагреве до 700оС они теряют химечески связанную воду и делаются хрупкими. Плавится хризотил при температуре около 1500оС.
Комбинат "Оренбургские минералы" являетя самым молодым предприятием в отрасли - он введён в эксплуатацию в 1979 году. При его проектировании и строительстве были учтены последние достижения науки и техники, использован опыт, накопленный за многие годы на отечественных и зарубежных обогатительных предприятиях. Сегодня это высокомеханизированное горно-обогатительное предприятие, оснащённое современным оборудованием, производственные процессы которого максимально автоматизированы. А/В инфраструктуру комбината входят: Рудоуправление, обогатительная Фабрика и Производственно-сервисное управление.
Добычей и подачей руды на обогатительную фабрику занимается Рудоуправление, включающее в себя железнодорожный цех,горный цех,цех технологического транспорта. Техническая оснащённость Рудоуправления - это 21 экскаватор различной мощности,6 буровых станков и 4 разведочных, 11 тяговых агрегатов ПЭ-2М, более 100 думпкаров и т.д. Автотранспортное предприятие оснащено более чем 18 БелАЗами технологического назначения,более чем 30 единиц техники участка дорожного строительства, более 11 машин грузового, пассажирского и специального автопарка. Хризотиловая руда поступает на обогатительную фабрику в необходимом количестве и соответствующего качества.
Рассмотрим технологический процесс сушки асбеста.
Технологическим объектом управления сушки является шахтная прямоточно-противоточная сушильная установка.
Рисунок 1 - Принципиальная схема процесса сушки (1 - шахтное сушило, 2 - байпас, 3 - топка, 4 - дутьевой вентилятор первичного воздуха, 5 - дутьевой вентилятор вторичного воздуха, 6 - циклоны, 7 - дымосос, 8 - загрузочный бункер,
9- ленточный питатель, 10- электрофильтр)
Сушильная установка, представленная на рисунке 1, включает в себя:
* вертикальную шахтную прямоточно-противоточную сушильную печь;
* байпас;
* топку с горелкой;
* вентиляторы дутьевого типа ВДР-9,5 и ВДН-12,5 для подачи воздуха, соответственно на горение и разбавление теплоносителя;
* два циклона типа ЦН-11;
* электрофильтр типа АП-40 х 2;
* дымосос типа ДН-21М;
* загрузочный бункер с питателем.
Руда поступающая на сушку, загружается в накопительный бункер, установленный непосредственно над шахтной сушильной установкой (печью) и снабженный ленточным питателем. Пространство печи по высоте делится на противоточную и прямоточную части подачи теплоносителя. Отбор отработанного теплоносителя, а также чернового концентрата производится на высоте равной примерно 2/3 высоты печи. Часть чернового концентрата оседает в циклонах, другая часть - задерживается фильтрами.
Технические характеристики агрегатов приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Технические характеристики оборудования сушильной установки
НаименованиеТипОсновные технические характеристики1.Шахтная прямоточно-противоточная печьВШП-2х2х18Поперечное сечение - 2х2 м2
Высота печи - 18 м
Высота расположения коллектора для отбора отработанного теплоносителя - 12,35 м
Расстояние между колосниками:
* в сечении шахты - 200 мм
* по высоте шахты - 200 мм2.Топка с камерой смешивания-Объем топочного пространства -21,88 м33.Горелка газо-мазутнаяГМК-4Теплопроизводительность -4 Гкал/час
Давление газа - до 380 мм вод.ст. (3725,5 Па)
Давление мазута - 20 кгс/см2
Давление дутьевого воздуха - 120 мм вод.ст. (1176,5 Па)
Номинальный расход газа -470 м3/час4.Вентилятор подачи воздуха на горение (первичного воздуха)ВДР-9,5Производительность-10000 м3/час
Скорость вращения - 1460 об/мин.
Давление - 400 кгс/м2
Мощность и тип эл. двигателя - 28 кВт, АО73-4Щ25.Вентилятор подачи воздуха на разбавление (вторичного воздуха)ВДН-12,5Производительность - 40000 м3/час
Скорость вращения -1480 об/мин.
Давление - 550 кгс/м2
Мощность и тип эл. двигателя - 90 кВт, 4А-250М46.Циклоны (2 шт.)ЦН-11Диаметр - 2250 мм7.ЭлектрофильтрАП-40х2Производительность-144000 м3/час
Степень очистки - 98-99%
Максимальная разрежение - 400 мм вод.ст. (3920 Па)
Максимальная температура газов - 200 °С8.ДымососДН-21МПроизводительность - 120000 м3/час
Скорость вращения - 1000 об/мин.
Давление - 585 кгс/м2
Мощность и тип эл.двигателя -350 кВт, АО3-400М-6У3 Технологический процесс сушки асбестовой руды носит непрерывный характер. Руда, пройдя четырехстадийное дробление и сортировку по крупности в дробильно-сортировочном комплексе 1 - 4 стадий разделяется на две части, одна из которых поступает на сушку, а вторая, смешиваясь после сушки с первой, поступает в склад сухой руды.
При сушке в шахтной прямоточно-противоточной сушилке происходит интенсивный тепло- и массообмен.
Доминирующим способом передачи тепла является конвективный способ. Тепловая энергия теплоносителя затрачивается на нагревание асбестовой руды, содержащейся в ней влаги, элементов конструкции сушильной установки, на испарение избыточной влаги, на нагревание пара до температуры среды в зоне сушки. Значительное количество и различные тепловые свойства элементов системы теплообмена обуславливают сложность процесса.
Массообмен характеризуется переносом влаги, свободного волокна асбеста и мелкодисперсных частиц руды. В сушилках данного типа происходит удаление главным образом поверхностной влаги.
Режим сушки определяется количеством и свойствами (влажность, грансостав, температура и др.) исходной руды, условиями горения топлива, производительностью вентиляторов подачи воздуха на горение, смешивание и дымососа, особенностями конструкции сушильной установки.
Параметрами теплоносителя, непосредственно влияющими на удаление влаги из руды, являются его температура и количество. С целью сохранения природных свойств асбеста, температура руды не должна превышать 150 - 200 °С, что достигается при температуре теплоносителя (600 - 800 °С), т.к. процесс сушки очень скоротечен (10- 14 с). Температуру отработанных газов требуется поддерживать выше точки росы. Температура перед электрофильтрами, согласно их технической характеристике не должна превышать 200 °С.
Режим работы сушильного оборудования цеха сушки - 335 дней в году при 3-х сменной работе по 8 часов (исключая планово-предупредительные ремонты и аварии).
Общая характеристика производственных помещений:
* запыленность до 2 мг/м';
* отсутствие химически активных веществ;
* среда неагрессивная;
* возможность пожара и взрыва.
Климатические условия:
* климат умеренный;
* температура окружающей среды от+5° до+30° С;
* относительная влажность до 80%.
[9]
1.2. Анализ технологического комплекса сушки как управляемого объекта
Технологический комплекс сушки как управляемого объекта может быть представлен следующим образом (рисунок 2):
а. К входным параметрам относятся:
* производительность барабана по руде - Qр;
* влажность руды - ωр;
* температура руды - Tр ;
* гранулометрический состав руды - αр;
* расход топлива - Qт;
* давление в топливной магистрали - pт;
* расход первичного воздуха - Qв1;
* температура первичного воздуха -Tв1;
* расход вторичного воздуха - Qв2;
* температура вторичного воздуха - Tв2;
* частота вращения барабана - nб;
* положение заслонки дымососа - αд;
* изменение теплоемкости топлива и материала - f(t).
Рисунок 2 - Технологический комплекс сушки как объект управления
б. К выходным параметрам относятся:
* производительность барабана по высушенному продукту - Qп;
* влажность высушенного продукта - ωп;
* температура отходящих газов - Tог;
* влажность отходящих газов - ωог;
* температура в топке - Tтп;
* разрежение в топке - pтп;
1)Управляемыми параметрами могут служить:
* влажность высушенного продукта - ωп;
* температура отходящих газов - Tог;
* температура в топке - Tтп;
* разрежение в топке - pтп;
2)Управляющими воздействиями могут служить:
* расход топлива - Qт;
* расход вторичного воздуха - Qв2;
* положение заслонки дымососа - αд;
3)Основными возмущающими воздействиями могут быть приняты:
* производительность барабана по руде - Qр;
* влажность руде - ωр;
* температура руде - Tр;
* гранулометрический состав руды - αр;
* температура первичного воздуха - Tв1;
* температура вторичного воздуха - Tв2;
4)Помехами процесса можно считать изменение теплоемкости топлива и материала - f(t).
Промежуточными параметрами можно считать температура смеси газов - Тсм и количество смеси газов - Qсм.
Возможные каналы управления:
* "Расход топлива Qт → влажность высушенного продукта ωп";
* "Расход топлива Qт → температура отходящих газов Tог";
* "Расход вторичного воздуха Qв2 → влажность высушенного продукта ωп";
* "Расход вторичного воздуха Qв2 → температура отходящих газов Tог";
* "Влажность руды ωр → влажность высушенного продукта ωп";
* "Влажность руды ωр→ температура отходящих газов Tог";
* "Положение заслонки дымососа αд → разрежение в топке pтп".
[1, 8, 9]
1.3. Обоснование необходимости и эффективности автоматизации
технологического комплекса
Автоматизация обычно предназначена для уменьшения потребности в численности персонала и увеличения экономической эффективности процесса. Автоматизация обогатительных фабрик также имеет эти общие цели, а кроме них можно назвать и другие цели, достигаемые автоматизацией:
* увеличение извлечения;
* регулирование содержания концентрата - увеличение производительности процесса;
* экономия энергии;
* сокращение износа оборудования;
* охрана окружающей среды;
* удаление неприятных рабочих мест;
* увеличение разумности работы.
Многие из вышеизложенных целей являются экономическими, но человеческий аспект автоматизации также значительный.
Таким образом, автоматизация улучшает экономичность процесса разными образами:
* объем производства увеличивается за счет более стабильной работы и уменьшения количества простоев;
* качества продукта улучшается за счет эффективного и непрерывного контроля;
* имея свежую и правильную информацию благодаря эффективному протоколированию руководство промышленного предприятия может вмешиваться в ход процесса в правильное (нужное) время.
Внедрение АСУ ТП приводит к повышению экономичности и производительности обогатительного производства. В социальном плане эффект автоматизации заключается в улучшении условии труда рабочих, повышении квалификации кадров, совершенствовании обогатительной технологии с целью приспособления ее к автоматизации.
Появление вычислительной техники и надежных быстродействующих вычислительных машин дало возможность решать задачи оптимизации управления не отдельными обогатительными аппаратами, а целыми технологическими линиями обогащения минерального сырья и даже цехами. Уже накоплен определенный опыт эксплуатации таких систем в цветной и черной металлургии, углеобогащении, асбестообогащении.
С развитием техники опробования, повышением ее производительности, снижением стоимости получения информации опробованием и увеличением возможностей ее оперативной обработки повышались требования к количеству и качеству этой информации. На современных обогатительных фабриках число проб составляет тысячи в сутки" а число элементо-определений может быть в 2 - 3 раза больше, доходя до 5 - 10 млн. элементо-определений в год.
Получение такой массы информации связано с большими капитальными и эксплуатационными затратами. То, что обогатительные фабрики идут на такие затраты (все увеличивающиеся), свидетельствует о важности опробования; его прямом влиянии на экономические результаты работы. Однако опробование само по себе весьма специфичный процесс получения объективной информации об опробуемых массах любой величины, состоящий в том, что эту информацию в итоге добывают, анализируя массу величиной 1 г и менее. Для того, чтобы такая масса (например, 1 г) соответствовала массе, например, 1000 т, необходимо выполнение многих правил реализации отбора, подготовки и анализа проб. Очевидно, что предпочтительное уменьшение массы пробы в 109 раз не может привести к удовлетворительным результатам.
Решая конкретные задачи опробования, инженер должен иметь возможность проверить рекомендации ГОСТов либо инструкций, а в большинстве случаев должен обоснованно выбрать параметры опробования и рационально построить и провести этот процесс. Это возможно только тогда, когда формулы и методики позволяют полно учесть конкретные особенности рассматриваемого случая, являясь в то же время приемлемыми по трудоемкости их использования. Необходима логическая увязка всего процесса получения исходных данных, комплекса понятий и параметров опробования и методики выбора и расчета оборудования для отбора проб.
Современные возможности анализа вызвали бурное развитие средств отбора, транспортирования, обработки проб. Системы автоматической подготовки проб функционируют уже на многих обогатительных фабриках.
Современная вычислительная техника позволяет выполнять полные расчеты технологического и товарного балансов. Оперативность этих расчетов позволяет использовать результаты контроля процессов для управления ими. Однако возникли новые проблемы, связанные с оценкой погрешностей результатов. Наконец, появились и используются новые возможности повышения точности расчетов и анализа данных.
Естественный выход результатов опробования и контроля - управление качеством продуктов обогащения. Во-первых, это управление качеством входного потока сырья. На обогатительных фабриках "Оренбургские минералы" такому управлению придается большое значение. Это - и планирование работы забоев, забойного оборудования, транспорта, создание усреднительных складов и планирование переработки руды.
Во-вторых, это управление качеством выпускаемой продукции путем выбора режимов переработки, формирования партий, усреднения концентратов. Современные комплексные системы управления качеством продукции завершают работу, начинающуюся отбором проб.
Уровень автоматизации обогатительной фабрики определяется ее производительностью, минеральным составом и колебаниями характеристик перерабатываемой руды.
На фабриках с высокой производительностью производится одновременный контроль и управление большим числом технологических параметров, что невозможно без внедрения автоматизации.
Сложный минеральный состав руды, вкрапленность минералов и т. п. обусловливают усложнение схем обогащения, а также контроля и управления процессом и, следовательно, необходимость повышения уровня автоматизации.
Характеристики руды непрерывно изменяются. Для компенсации этих изменений необходимо управлять технологическим процессом, т.е. повысить уровень автоматизации.
Автоматизация технологического процесса должна внедряться поэтапно - сначала охватывать наиболее важные участки процесса, чтобы в минимальный срок окупить произведенные затраты.
Экономическая эффективность автоматизации обогатительных фабрик может быть достигнута: увеличением производительности; увеличением извлечения минерала в концентрат и повышением качества концентрата; экономией реагентов, мелющих тел, электроэнергии; уменьшением эксплуатационных расходов путем более равномерного режима работы технологических органов и ликвидацией перегрузок; ликвидацией операций с большими затратами физического труда.
[8]
1.4. Анализ статических и динамических свойств технологического
комплекса сушки
Как управляемый объект шахтное сушило характеризуется значительным инерционностью и транспортным запаздыванием, а также воздействиям большого числа возмущений, изменяющихся случайно. Он работает как теплообменник, в котором должна быть обеспечена передача тепла от газа к материалу, и как транспортное устройство, которое должно пропускать заданное количество материала.
Экспериментальные статические характеристики вертикальной сушильной установки по различным каналам представлены на рисунках 3, 4, 5, 6
Рисунок 3 - Статическая характеристика объекта каналу "Производительность
по исходной руде - Влажность сухой руды"
Рисунок 4 - Статическая характеристика объекта по каналу "Температура в топке -
Влажность руды"
Рисунок 5 - Статическая характеристика объекта по каналу "Производительность
по исходной руде - Температура перед циклоном"
Рисунок 6 - Статическая характеристика объекта по каналу "Производительность
по исходной руде - Температура перед дымососом"
Экспериментальные переходные характеристики вертикальной сушильной установки по различным каналам представлены на рисунке 7.
Рисунок 7 - Экспериментальные переходные характеристики вертикальной сушильной установки по каналам а) "Qт - Тт"; б) "Qсм - Тт"; в) "Qт - Тог";
г) "Qсм - ωп"; д) "Qсм - Тог"; е) "Qр - ωп"; ж) "Qт - ωп"; з) "Qр - Тог"
Экспериментальные переходные функции для барабана длиной 27 м, диаметром 3,5 м, в котором сушили железный концентрат с начальной влажностью 9-11% до влажности 0,5-1%, приведены на рисунке 8.
Рисунок 8 - Экспериментальные переходные функции сушильного барабана по каналам:
1 - температура сушильного агента на входе в барабан - влажность высушенного материала, k = 2,01; 2 - количество влаги в материале в загрузке - температура газов в барабане, k = 0,1; 3 - скорость сушильного агента - влажность высушенного материала, k = 0,55; 4 - количество влаги в материале в загрузке - влажность высушенного материала, k = 1,138; 5 -температура сушильного агента - температура газов в барабане, k - 0,7; 6 - скорость сушильного агента - температура его в барабане, k = 0,7;
у(t) - общее обозначение выходного показателя
Из динамических характеристик сушильного барабана, полученных экспериментально, видно, что это-объект с ярко выраженными распределенными свойствами по длине барабана. Такие объекты описываются обычно дифференциальными уравнениями в частных производных типа. (1.1)
где ω-влажность материала; υм -скорость перемещения материала по длине барабана; f(ω)-зависимость скорости сушки от влажности; βυ-коэффициент массообмена; l-координата длины барабана; dм-влагосодержание насыщенного воздуха при температуре материала.
Использование таких уравнений в инженерной практике затруднительно. Для практических расчетов можно применять обычные дифференциальные уравнения, коэффициенты которых представляют собой сосредоточенные параметры системы.
Для облегчения задачи примем в качестве управляющего воздействия расход сушильного агента, а не расход топлива, как действительности. Предположим также, что топка имеет достаточный запас мощности и режим ее работы не сказывается на режиме сушки.
В установившемся режиме приток и расход топлива в элементе объема барабана равны. Тепло в барабан поступает:
а) с сушильным агентом ; (1.2)
б) с сухой частью материала (1.3)
в) с влагой, вносимой материалом
(1.4)
где qa-объёмный расход сушильного агента, м3/ч, ca - средняя объемная теплоемкость агента, Дж/(м3∙К); ta- начальная температура агента, К; qк - массовой расход материала, кг/ч; ωк- начальная относительная влажность материала, %; ск - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг∙К).
Тепло расходуется:
а) с уходящим сушильным агентом
; (1.5)
б) с уходящим высушенным материалом
; (1.6)
в) с уходящей влагой
; (1.7)
г) на испарение влаги
; (1.8)
где Tг- конечная температура сушильного агента, К; qк- массовый расход высушенного материала, кг/ч; ωп- конечная относительная влажность материала, %; T 'к - конечная температура материала, К; r- удельная теплота парообразования, Дж/кг.
При внесении возмущения нарушается баланс между притоком и расходом тепла. Элементарный объем агента, заключенный в исследуемом участке барабана, получает изменение энергии, равное дебалансу тепла за время dt:
, (1.9)
или
; (1.10)
где Δl - длина исследуемого участка барабана, м; s- площадь сечения барабана, м2.
Уравнение (1.9, 1.10)представляет математическую модель процесса сушки, которая может использоваться при исследовании принципов автоматического управления процессом.
[1, 8, 9]
2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ И ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР ПО АВТОМАТИЧЕСКОМУ КОНТРОЛЮ И УПРАВЛЕНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ
2.1. Характеристика работы аналогичных систем контроля и управления технологическим комплексом на отечественных и зарубежных фабриках
Основная задача систем автоматического управления сушильными установками - стабилизация и комплексное регулирование процесса.
Управляемые переменные - производительность по исходному, готовому высушенному продукту, расход топлива и воздуха, влажность высушенного продукта. В качестве входных параметров принимаются частота вращения сушилки, влажность, плотность, гранулометрический состав исходного продукта и др.
Многообразие типов сушилок определяет и различные решения по автоматизации, используя при этом различный набор регулируемых параметров.
Для всех типов сушилок широко применяются системы теплотехнического контроля и регулирования. Однако в большинстве случаев желаемый уровень основного показателя - влажность высушенного продукта - достигается регулированием процесса по косвенным параметрам.
Первые системы явились основой для построения систем регулирования сначала по одному показателю при стабилизации контролируемых параметров (влажности, времени сушки, температуры теплоносителя и пр.).
На этом этапе предполагалось незначительное влияние целого ряда возмущающих воздействий. Системы регулирования по отклонению, возмущению позволили построить комбинированные системы. Теоретические исследования процесса являются базой для построения многосвязных систем регулирования. В этих системах учтено максимально возможное число контролируемых и возмущающих воздействий. Дальнейшее развитие систем управления связано с использованием ЭВМ на основе многопараметрических моделей.
Одной из особенностей процесса является большая инерционность процесса. Транспортное запаздывание (так называемая "распределенность параметров") вызывает определенные трудности в реализации систем управления. Простые системы стабилизации, локальные системы регулирования по отклонению не обеспечивают поддержание оптимального режима в полной мере. Совершенствование таких систем связано с учетом большего числа параметров, находящихся во взаимосвязи и взаимовлиянии.
Большое число управляющих, регулируемых и возмущающих переменных вызывает дополнительные трудности в построении таких систем.
Управление по влагосодержанию материала. Система управления сушилкой (табл. 2,1.1) работает совместно с двумя расположенными на определенном расстоянии один от другого чувствительными элементами, через которые протекает электрический ток. Сила тока зависит от влажности материала. Одним из узлов системы управления является тиратронная лампа, анодная цепь которой соединена с выпрямителем. Выпрямитель подает на один из чувствительных элементов напряжение постоянного тока. В обычном положении лампа заперта. В одной цепи с выпрямителем и чувствительным элементом находится переменное сопротивление, которое селективно регулирует сопротивление всей цепи, изменяя напряжение, подаваемое на чувствительный элемент. Переменное сопротивление состоит из реостата, резистора и устройства для селективного шунтирования реостата. Последовательно в цепи с тиратроном находится регулирующее устройство. В цепь сетки тиратрона включен один из чувствительных элементов и емкостное сопротивление, вызывающие запаздывание во времени срабатывания лампы при изменении потенциала на чувствительных элементах.
Лампа отпирается и включает регулирующее устройство, когда на чувствительных элементах возникает потенциал, соответствующий определенному влагосодержанию материала.
Управление сушилкой от датчика влажности (табл. 2, 1.2) осуществляется регулирование подвода тепла в соответствии с влагосодержанием материала. Система управления состоит из датчика и электрода, который касается материала и устройства, подающего на электрод напряжение постоянного тока. Напряжение на электроде изменяется в соответствии с протекающим через материал током. Когда влагосодержание материала понижается, напряжение на электроде увеличивается, при этом отключается источник тепла. В цепи между электродом и выключателем подсоединена неоновая лампа, управляемая напряжением измерительной цепи.
Аналогичная система управления сушилкой (табл. 2, 1.3) содержит командоаппарат, управляемый датчиком влажности. В зависимости от содержания влаги командоаппарат организует дополнительный цикл сушки. Понятно, что командоаппарат несет в себе некоторый закон (алгоритм) управления.
Естественно, с развитием моделирования, средств вычислительной техники изобретательские решения меняются.
Способ автоматического управления процессом сушки сыпучих материалов основан на определении температуры сушильного агента и конечной влажности материала, сравнении последней с заданным значением и изменении расхода сушильного агента по его температуре с корректировкой по влажности материала. Для повышения качества регулирования моделируют процесс сушки без учета транспортного запаздывания, задерживают сигнал модели на время транспортного запаздывания, и полученный сигнал используют в качестве задания при сравнении с сигналом конечной влажности (табл. 2, 1.4).
Сушилка непрерывного действия (табл. 2, 1.5) имеет на входном и выходном концах электрические датчики влажности. В зависимости от поступающих с датчиков сигналов система управления устанавливает продолжительность процесса сушки. Система содержит потенциометр, который подает управляющий сигнал. Основное напряжение на потенциометре определяется входным датчиком. Если сигнал входного датчика превышает заданный уровень, то движок потенциометра приходит в движение, вырабатывая сигнал, управляющий скоростью потока материала.
Степень высушивания в сушилке может контролироваться электроцепью (табл. 2,1.6). Регулирующая цепь состоит из нагревателя, датчика влажности и реле времени. Выходной сигнал вырабатывается после цикла сушки, продолжительность которого определена в зависимости от влажности исходного материала. В сушилке имеется устройство, которое реагирует на этот сигнал и повторяет цикл. Другое устройство реагирует на второй выходной сигнал цепи датчика влажности и реле времени, который следует за первым выходным сигналом. Затем вновь включается нагреватель сушки.
В устройстве управления сушилкой (табл. 2, 1.7) в качестве регулируемого параметра также использовано изменение длительности сушки. Задающее устройство устанавливает требуемое значение параметров в конце периода сушки. В соответствии с сигналами датчика влажности автоматически устанавливается время, необходимое для достижения этих параметров.
Если по истечении заданного времени нужные параметры не были достигнуты, то специальное устройство увеличивает длительность сушки. Таким образом, длительность дополнительного периода сушки является функцией длительности предыдущего периода и заданных параметров.
Система контроля и регулирования влажности (табл. 2, 1.8) предназначена для измерения влажности материала, проходящего через сушилку, и получения заданной влажности, а также для регулирования скорости прохождения материала. Устройство содержит прибор, измеряющий содержание влаги и пропорционально ему формирующий напряжение, а также генератор эталонного сигнала, который вырабатывает эталонное напряжение, соответствующее заданной влажности.
Сигналы измеренной и заданной влажности сравниваются в компараторе, который выдает первый контрольный сигнал, когда измеряемая влажность меньше заданной, и второй контрольный сигнал, когда влажность больше заданной. Предусмотрено устройство управления, реагирующее на контрольные сигналы, для того чтобы соответственно увеличивать или уменьшать скорость прохождения материала.
Система регулирования влажности (табл. 2, 1.9) имеет датчик с двумя расположенными с некоторым зазором электродами. Сушилка имеет также задатчик степени влажности и устройство для регулирования степени чувствительности датчика. Система снабжена блокировочным устройством, которое предупреждает отключение сушилки в случае возникновения помех в системе от статического заряда электродов и непосредственно воздействует на приводной электродвигатель сушилки и нагревательное устройство.
Способ автоматического управления процессом сушки сыпучих материалов во вращающейся барабанной сушилке (табл. 2, 1.10) основан на поддержании заданного отношения между расходами сырого материала и топлива с коррекцией по конечной влажности материала. Влажность материала измеряют в различных сечениях, расположенных вдоль продольной оси сушилки, с .одновременным измерением в них расхода материала. Для каждого сечения определяют произведения измеренных сигналов, и для входного сечения находят интеграл от произведения за определенное время, а для остальных сечений среднюю взвешенную сумму произведений, затем находят разность между средней взвешенной суммой и интегралом и по сигналу, пропорциональному скорости изменения этой разности, корректируют расход топлива.
Управление по температуре сушильной среды и материала. Барабанная вращающаяся сушилка (табл. 2,2.1) содержит устройство с вентилятором, предназначенное для подачи воздуха (сушильный агент) через барабан, газовую горелку для нагрева циркулирующего воздуха, нормально закрытый клапан подачи газа к горелке. При достижении определенной температуры воздуха предохранитель, снабженный термостатом, прерывает нормальную подачу газа к горелке, регулируя тем самым температурный режим.
При управлении сушилкой (табл. 2, 2.2) нагретый воздух, циркулирующий в установке, через впускной трубопровод поступает в сушильную камеру и выходит через выпускной трубопровод. Во впускном и выпускном трубопроводах установлены термометры сопротивления для измерения температуры потока циркулирующего воздуха. Сигналы от обоих термометров поступают к реле, срабатывающему тогда, когда суммарные показания обоих термометров достигают заданного значения. При срабатывании реле приводимое в действие селекторное устройство устанавливает один из нескольких возможных циклов сушки, включая и выключая нагревательное устройство. С реле сблокирован не чувствительный к изменению напряжения нагреватель, который служит для компенсации напряжения и позволяет включать электродвигатель при достижении заданного значения сопротивления.
В системе регулирования сушки (табл. 2, 2.3) температуру контролируют в трех характерных точках: в потоках поступающего и удаляемого воздуха, а также в равновесный период постоянной скорости испарения. Для достижения требуемой влажности определяют температуру влажного и удаляемого воздуха, а также равновесную температуру. При достижении указанной температуры процесс сушки прекращают.
В системе управления сушилкой для повышения точности регулирования скорости подачи подвергаемого сушке материала измеряется температура выходящих из сушилки воздуха и материала.
Система управления процессом сушки, основанная на управлении скоростью испарения влаги (табл. 2, 2.4), работает следующим образом. Слой высушиваемого материала непрерывно движется в горизонтальном направлении. В первых точках слоя измеряется температура. Эти точки расположены с определенным шагом вдоль слоя и перекрывают первый участок слоя определенной протяженности.
На первом участке слоя происходит изменение постоянной скорости испарения в сторону ее уменьшения. Измеренные на первом участке сигналы, пропорциональные измеренным температурам, суммируются. Измеряется температура в других точках слоя. Второй участок слоя находится перед первым по ходу движения высушиваемого материала.
Измеренные на втором участке температуры вычитаются, полученная разность прибавляется к сумме температур, измеренных на первом участке. Разность сравнивается с заданной, и в соответствии с сигналом рассогласования регулируется подача тепла к материалу. Аналогичная система регулирования (табл. 2, 2.5) предназначена для управления скоростью испарения влаги при сушке материала во вращающихся барабанных сушилках. Отличие заключается в том, что измерение температур и подвод тепла проводится по участкам. Использование температурных параметров в качестве основы для регулирования сушки приводит к большому разнообразию систем управления, которые определяются типом сушильных агрегатов (конструктивная особенность), задачами, возлагаемыми на такие системы (стабилизация, регулирование), и целями (степень высушивания и т. п.).
Приведем в качестве примера систему управления процессом сушки гранулированного замороженного материала (табл. 2, 2.6). Сушильная установка содержит нагревательное устройство с электронагревательными элементами.
Система управления имеет два связанных контура регулирования, включающих датчики температуры и терморегуляторы. Первый контур поддерживает температуру нагревательного элемента на установленном уровне, тем самым обеспечивая нагрев свободной поверхности материала; второй, контролируя температуру свободной поверхности, регулирует количество подводимого тепла от нагревательного элемента, поддерживая температуру поверхности на определенном уровне, достигнутом после начального периода подогрева.
Многосвязные системы управления. Управление процессом по нескольким параметрам позволяет наиболее полно отразить физические процессы, происходящие при сушке с учетом воздействия режимных параметров аппарата, его динамических свойств и др.
Однако установление характера связи между регулируемыми и управляющими воздействиями - сложная задача. В настоящей работе не ставится цель проанализировать методы нахождения такой связи. Эти вопросы относятся к области математического моделирования. Укажем, что эта задача решается как теоретическими методами, так и эмпирическим путем на основе экспериментов на реальном процессе или же его физической модели.
Такая физическая модель для определения оптимальных условий сушки (табл. 2, 3.1) содержит корпус, имеющий камеру. Внутри камеры установлен лоток, в который укладывается испытуемый образец материала. В лотке, термоизолированном относительно камеры, располагается приспособление для вакуумной сушки образцов, состоящее из вакуум-насоса и нагревателя.
Специальное приспособление, связанное с лотком, взвешивает испытываемый образец по мере его высушивания. Имеются регистрирующие устройства для измерения температуры образца и температуры нагревательного устройства в процессе сушки, регистратор давления в камере. Исследование образцов материала позволяет определить оптимальную температуру, давление и временной интервал для эффективного высушивания материала в реальной установке.
Полученные тем или иным способом зависимости используют для построения многосвязных систем. Комплексная система управления сушилкой для сыпучего материала (табл. 2, 3.2) работает следующим образом. Сушилка имеет пластинчатый штабель, подъемник и конвейер с бесконечной дырчатой лентой, проходящей через несколько зон сушки. В вытяжной трубе установлен датчик влажности для регулирования подачи греющего агента к сопловому устройству, расположенному под конвейерной лентой.
Приводной электродвигатель подъемника оснащен датчиком мощности, устройство включает также датчик температуры под лентой в последней зоне сушки. Каждый из датчиков через отдельную цепь соединен с усилителем, использующим наиболее слабый из двух контрольных сигналов для регулирования частоты вращения электродвигателя привода пластинчатого питателя.
Пример многосвязного управления барабанной сушилкой по ряду параметров приведен в патенте Японии (табл. 2, 3.3). Газ высокой температуры в качестве высушивающей среды поступает из печи в барабанную сушилку. Измеряемые параметры (производительность сушилки, температура материала на выходе, расход топлива для печи, масса исходного материала, содержание кислорода в конце печи и температура газа, выпускаемого из печи) передаются на распознающий блок ЭВМ и преобразуются в сигналы для получения оптимального переходного режима. Изменения температуры материала на выходе преобразуются в сигналы для получения оптимального установившегося режима.|
Объем газа G выпускаемого из печи, определяется по уравнению
,
где К1 - К4- постоянные коэффициенты; Н - расход топлива; М - масса материала, подаваемого в печь; W - содержание кислорода в конце печи.
Пример практической реализации устройств управления процессом сушки в промышленности - регулирующее устройство сушильных агрегатов РУСА (разработчик ИОТТ). Это устройство предназначено для автоматического контроля и регулирования работы сушильных агрегатов, использующих в качестве агента топочные газы.
РУСА может быть применено при управлении работой аппаратов сухого пылеулавливания, а также систем, снижающих содержание токсичных и коррозионно-активных соединений в отходящих газах промышленных предприятий.
РУСА включает измеритель температуры точки росы (температуры образования коррозионно-активного конденсата) непосредственно в потоках промышленных газов и измерительно-регулирующий блок, обеспечивающий работу прибора в режиме автоматического измерения и выход в систему управления.
Регулирующее устройство сушильных агрегатов позволяет оптимизировать процесс сушки по энергетическим и экономическим факторам.
При управлении процессами сушки концентратов цветных металлов, асбеста, шихтоподготовки перед агломерацией необходимо решать задачу автоматического контроля влажности материалов.
Методы измерения влажности можно разделить на прямые и косвенные. В прямых методах производится непосредственное разделение влажного материала на сухое вещество и влагу. В косвенных методах измеряется другая величина, функционально связанная с влажностью материала.
Из прямых методов измерений распространен метод, заключающийся в воздушно-тепловой сушке пробы с одновременным автоматическим взвешиванием на электронных весах. Для ускорения процесса сушки применяют инфракрасные лучи и токи высокой частоты.
Находят применение экспресс-влагомеры прямого измерения МА-30, ЭВЛАС-2.
Косвенные методы контроля влажности материалов подразделяются на электрические и неэлектрические.
Электрические методы измерения влажности подразделяются на кондуктометрические и диэлькометрические. Первые основаны на зависимости электрической проводимости материала от его влажности, и оценка влажности производится по результатам измерения электрического сопротивления. Такие влагомеры позволяют контролировать влажность материала в потоке на конвейере, и чувствительным элементом в них служат два электрода, питаемые постоянным или переменным током низкой частоты.
Диэлькометрический метод контроля влажности основан на зависимости диэлектрической проницаемости материала от влажности. К таким влагомерам относятся влагомеры ВЕ МТ 260, BUMC-1, ИВАР.
К электрической группе влагомеров относится сверхвысокочастотный влагомер поточный "Микрорадар-11ЗА", предназначенный для непрерывного автоматического контроля влажности сыпучих сред (неэлектропроводных) непосредственно в технологическом процессе методом микроволновой влагометрии. Принцип действия влагомера основан на измерении величины ослабления СВЧ-энергии влажным материалом и преобразовании этой величины в цифровой код и аналоговый сигнал, пропорциональный влажности материала.
Неэлектрические методы контроля влажности базируются на использовании взаимодействия различных видов электромагнитных колебаний и ядерных излучений с исследуемым веществом. К этому типу относятся инфракрасные фотометрические и нейтронные влагомеры.
В основу работы инфракрасных влагомеров положено измерение избирательного поглощения влагой инфракрасного излучения определенной длины волны, либо отраженного поверхностью материала, либо проходящего через материал. Влагомеры этого типа обладают высокой чувствительностью, точностью и дают возможность непрерывного бесконтактного контроля влажности.
Разнообразие используемых методов контроля позволяет осуществить измерение влажности в требуемой точке потока с достаточной точностью. Это является реальной предпосылкой разработки промышленных приборов и реализации систем автоматического управления. В таблице 3 приведена структурная характеристика приборов для измерения влажности.
[2, 3, 5]
2.2. Сравнительный анализ методов и средств автоматического контроля и управления на зарубежных и отечественных фабриках
Результаты патентного обзора смотри в таблице 2
Таблица 2 - Структура технических решений по управлению процессом сушки
№ п/пОбъект изобретения Особенность изобретения СтранаНомер авторского свидетельства или патентаИсточник информации123451.1Управление сушилкойУправление по влагосодержанию материалаСША3271876Изобретения за рубежом 1966 1.2Управление сушилкойПодвод теплаСША3271878Изобретения за рубежом 1966 1.3Управление сушилкойИспользование командоаппаратаСША3271877Изобретения за рубежом 1966 1.4Управление сушилкойМодель без транспортного запаздывания с последующей коррекциейСССР914916, F26В 25/22Б.И.№11, 19821.5Управление сушилкойИзменение скорости подачи материала по разности влажности исходного и конечного материаловСША3400468Изобретения за рубежом 1966 1.6Управление сушилкойУправление по влажности материала в зависимости от инерционности процессаСША3284919Изобретения за рубежом 19731.7Управление сушилкойИзменение длительности сушкиСША3762064Изобретения за рубежом 1973 1.8Управление сушилкойИзменение подачи материала по влажностиСША3732435Изобретения за рубежом 1973 1.9Управление сушилкойИзмерение влажности в разных сечениях СССР1016647, F26В 25/22Б. И. №17, 19831.10Управление сушилкойИзменение частоты вращения сушилки и температуры сушкиСША3758959Изобретения за рубежом 1973 2.1Регулирование барабанной сушилкиТемпература потока циркулирующего воздухаСША3279088Изобретения за рубежом 1966 2.2Регулирование барабанной сушилкиТемпература в равновесный период постоянной скорости испаренияСША3699665Изобретения за рубежом 1975 2.3Регулирование барабанной сушилкиТемпература воздуха и материалаСША2396476Изобретения за рубежом 1968 2.4Регулирование барабанной сушилкиУправление по скорости испарения влаги США3337965Изобретения за рубежом 1967 2.5Регулирование барабанной сушилкиПодвод тепла к участкам измерения температурСША3350790Изобретения за рубежом 1967 2.6Регулирование барабанной сушилкиСушка замороженного материалаСША3343273Изобретения за рубежом 1967 3.1Комбинированное управлениеФизическая модельСША3145562Изобретения за рубежом 19693.2Комбинированное управлениеУправление по влажности, температуре путем изменения расхода материала США3783527Изобретения за рубежом 1974 3.3Комбинированное управлениеУправление по расходу исходного материала, температуре на выходе, расходу топлива, содержанию кислорода и температуре газаЯпония50-21168Изобретения за рубежом 1975 [3]
Таблица 3 - Структура технических решений по влагомерам
№ п/пОбъект изобретения Особенность изобретения СтранаНомер авторского свидетельства или патентаИсточник информации1.Влагомер с механическим чувствительным элементомОтклонение щупа под действием материалаСША3809564, G01N 23/00Изобретения за рубежом, 1974Отклонение группы щуповСША3724821, G01N 23/00То же, 19732.Радиометрический влагомерДискретное измерение нейтронного излученияСША3800141, G01N 23/00То же, 1973, 19743.Устройство для измерения массового содержания влагиНепрерывное синхронизированное измерение гамма- и нейтронного излученияВеликобритания1387007, G01N 23/08То же, 1975Устройство для дистанционного определения содержания влагиИзмерение гамма- и нейтронного излучения с логическим преобразованием сигналовСША3794843, 3748473, G01N 23/02То же, 1973, 1974Перемещение детектора в зону эталонных образцовГермания1598950, G01N 23/12То же, 1974Коррекция по содержанию примесейСША3786251, G01N 23/12То же, 19744.Приборы для непрерывного измерения содержания влаги в движущемся слое рудыИзмерение сопротивления между электродамиСША3778707, G01N 27/02То же, 1973Измерение удельной проводимостиСША4019132, G01N 27/00То же, 1977Измерение по логарифму токаФранция2272394, G01N 27/12То же, 19765.ВлагомерЧувствительный элемент выполнен в виде двух лент из диэлектрического материала Великобритания1208749, GD1N 3/36Изобретения за рубежом, 1967 6.Емкостный влагомерИзмерение диэлектрических потерьСША
3822482, GD1N 3/36
Изобретения за рубежом, 1974 Коррекция по температуреСША3681685, GD1R 27/36Изобретения за рубежом, 1972Измерение ёмкости межэлектродного промежутка Франция 2251241, GD1N 27/22Изобретения за рубежом, 1975Использование колебательного контура вдоль движения материалаСША3793585, G01R 27/02Изобретения за рубежом, 1974Измерительная ёмкость установлена перпендикулярно к движению материала Германия1300316, GD1N 27/00
Изобретения за рубежом, 1974
Комбинированный влагомерСовместное использование взвешивания материала и измерение диэлектрической проницаемостиСША3536258, GD1N 5/02
Изобретения за рубежом, 1970Способ диэлектрического измерения содержания влаги Определение влажности материала по характеристикам экстрагирующей влагу жидкостиСША3253458 GD1N 25/02Изобретения за рубежом,19667.Система для измерения влаги в сыпучем материале Комбинация СВЧ и ядерного излученияСША, ФРГ3644826 GD1R 27/04;
1238243 GD1N 23/10Изобретения за рубежом, 1967 Устройство для измерения влажности материала на конвейереСоотношение величин поглощения и отражения СВЧ излученийФРГ2361677, GD1N 23/24
--1974СВЧ генератор снабжён положительной обратной связьюФРГ
2146926, GD1N--1974
Способ периодического измерения влажностиИзмерение затухания СВЧ энергии с поправкой на насыпную плотность ФРГ1498988, GD1N 23/24--1973
Комбинированный измеритель влажностиСовместное использование СВЧ и нейтронного излученияВеликобритания ,
Япония1212932, GD1N 23/12;
49-36640, GD1N 27/02--19748.Способ определения влагиИспользование эффекта ядерно-магнитного резонансаФРГ2212047, GD1N 27/76Изобретения за рубежом, 19749.Психометрический измеритель влажности Электронный эквивалент психометрического метода
Великобритания 1152876, GD1N 25/00Изобретения за рубежом, 1968 10.Термографическое устройство для измерения влажностиТермографическое определение влажности по отбору тепла у нагретой поверхности США
3813927, GD1N 27/12
Изобретения за рубежом, 1974 Измерение параметров термосопротивления как меры влажности США
3394466, 126В 40/20
--1968
Комбинация измерения толщины конденсата и тока охлаждения Великобритания
1207296, GD1N 21/26
--1972
Определение температуры материала до и после охлаждения ФРГ2235853, GD1N 25/26--1972
Использование термопар для контроля температурыСША3797312, GD1N 25/26--1974[3]
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
3.1. Структурная идентификация комплекса
Под структурной идентификацией технологического объекта (комплекса) или отдельных элементов комплексов понимают выбор или определение алгоритмической структуры математической модели объекта, комплекса или элемента на основании анализа связей входных и выходных параметров объекта, оценки влияния входных параметров на выходные и выделения из множества входных и выходных параметров наиболее значимых.
Структурная идентификация технологического объекта включает следующие операции:
1) выделение объекта из общей схемы;
2) ранжирование входов и выходов объекта по степени их влияния на выполнение целей управления;
3) определение рационального числа входов и выходов объекта, учитываемых в модели;
4) определение характера связей между входами и выходами объекта.
Структура динамических моделей технологических объектов (комплексов) связана с априорной формой математического описания исследуемого объекта.
Существуют различные способы математического описания технологических объектов:
1. Дифференциальными уравнениями связи:
а) между входными U1...Up и выходными y1...yq параметрами (стандартная форма)
, (3.1)
б) между входными воздействиями и переменными состояния процесса (x1...xn), которые записывают либо в форме системы уравнений первого порядка (нормальная форма):
(3.2)
либо в векторно-матричном виде
(3.3)
где матрицы A=[Sj], B=(Sj), =[Sj] имеют размеры (nn), (nf), (nq) соответственно.
2. Матрицей [Wik(p)] передаточных функций, дающих алгебраическую связь между изображениями по Лапласу входов и выходов:
, (3.4)
Для сложных технологических объектов (комплексов), априорная информация о которых обычно недостаточна, удобно реализовать модели в виде инерционных звеньев, причем доказана возможность описания динамических характеристик устойчивых объектов высокого порядка с передаточными функциями вида:
, (3.5)
или
(3.6)
моделями упрощенных структур низкого порядка
, (3.7)
и
. (3.8)
Обычно ограничиваются передаточными функциями порядка не выше второго.
Динамические модели технологических объектов (комплексов) обычно составляются для приращений входных и выходных параметров относительно их стационарных значений, что позволяет ограничиться линейными моделями каналов управления и возмущений.
Структура модели любого технологического комплекса или отдельного элемента комплекса определяется выбранным способом математического описания, результатом анализа комплекса как управляемого объекта, итогом которого является выделение наиболее значимых каналов управления и возмущения, а также целью идентификации технологического комплекса.
В качестве конечной цели идентификации технологических комплексов или отдельных элементов комплексов рассматривается обычно использование получаемой математической модели для синтеза системы управления, поэтому способом математического описания выбирается представление элементов технологического комплекса в виде матрицы передаточных функций вида (3.4) по основным каналам управления и возмущений.
Наиболее значимые каналы управления и возмущений, на которых основывается структура и объем модели элемента комплекса, рассмотрены в первом пункте курсового проекта.
Составим структурную схему для технологического комплекса сушка обогатительной фабрики "Оренбургские минералы"
Рисунок 9 - Структура технологического комплекса сушки
На основании рисунка 9 и выше изложенного материала составим алгоритмическую структуру модели комплекса сушки (смотри лист графической части работы). Возможные каналы управления представлены в таблице на странице 31.
[6]
3.2. Параметрическая идентификация комплекса
Под параметрической идентификацией понимают определение численных значений параметров оператора математической модели объекта, связывающего входы и выходы модели. В нашем случае таким оператором является матрица передачи точных функций, дающих алгебраическую связь между изображениями по Лапласу входов и выходов модели (3.4). Таким образом, параметрическая идентификация заключается в определении численных значений параметров передаточных функций по отдельным каналам связи модели (ki, Ti, i).
Параметрическая идентификация является важным и наиболее трудным этапом получения математической модели технологического объекта. Для реализации этого этапа требуются знания технических, конструктивных и технологических особенностей идентифицируемого объекта (технологического комплекса).
Для параметрической идентификации технологических объектов можно использовать различные виды информации (априорную, апостериорную), получаемую из библиографических источников о результатах исследований комплексов или отдельных элементов комплексов, подобных идентифицируемым
Параметрическая идентификация может осуществляться также по результатам экспериментов на промышленных, полупромышленных технологических комплексах или специальных лабораторных установках. При этом могут использоваться как активные, так и пассивные методы проведения экспериментов.
Особое место среди методов параметрической идентификации занимают аналитические методы, основанные на использовании закономерностей физико-химических процессов, протекающих в технологическом объекте, уравнений тепловых и материальных балансов, уравнений гидродинамики и т.п. Точность этих методов параметрической идентификации вполне достаточна для использования моделей при исследовании автоматических систем регулирования, а несомненным достоинством является учет в параметрах модели конструктивных, технических и технологических особенностей объекта идентификации.
В таблице 4 приведем исходные данные необходимые для расчета передаточных коэффициентов, постоянных времени и времени запаздывания для технологического комплекса сушка асбеста
Таблица 4 - Технические данные технологического комплекса сушка
ПараметрВеличина параметраВлажность2,0-2,5 %Производительность128 т/чРасход газа250 нм3/чДавление газа в коллекторе1250 кгс/м2Давление газа на горелку100 кгс/м2Давление воздуха общее250 кгс/м2Давление воздуха вторичное20 кгс/м2Разрежение в топке40 кгс/м2Низшая теплота сгорания7970 ккал/м3Число работающих горелок1 штРазряжение перед дымососом2000 ПаРазряжение перед циклоном300 ПаРазряжение перед шахтой75 ПаТемпература холодного воздуха18 °СТемпература в топке650 °СТемпература перед циклонами86 °СТемпература в борове480 °СТемпература перед дымососом71 °ССостав отходящих газов:
* СО2
* О2
* СО
3,1 %
15,3 %
-Коэффициент избытка воздуха3,7КИТ65,0 % Таблица 5 - Результаты параметрической идентификации технологического комплекса сушки
Канал управленияВид передаточной функцииДинамические параметрыkТ, с, с"ΔQт - ΔQсм"130060"ΔQт - ΔTсм"2,6730060"ΔQв1 - ΔQсм"130060"ΔQв1 - ΔTсм"0,26730060"ΔQв2 - ΔQсм"1600180"ΔQв2 - ΔTсм"0,45600180"ΔQсм - ΔQог"115050"ΔQсм - Δωп"0,00111515"ΔQсм - ΔTог"0,1345525"ΔTсм - Δωп"0,000812090"ΔTсм - ΔTог"0,12615050"ΔQр - Δωп"0,029015"ΔQр - ΔTог"6,632525"Δωр - Δωп"0,49030"Δωр - ΔTог"17,232627 [6, 8]
3.3. Исследование статических и динамических свойств комплекса
На основании таблицы 5 и алгоритмической структуры модели комплекса сушки (смотри лист 1 графической части работы) полученной в пункте 3.1 создадим цифровую модель технологического комплекса в пакете SIMULINK прикладного программного обеспечения MathWorks Matlab v6.5 Release 13, после чего получим статические и динамические характеристики комплекса сушки по возможным каналам управления.
Канал "Qт - Qог":
Рисунок 10 - Ступенчатое воздействие по каналу "Qт - Qог"
Рисунок 11 - Динамическая характеристика по каналу "Qт - Qог"
Рисунок 12 - Статическая характеристика по каналу "Qт - Qог"
Канал "Qт - ωп":
Рисунок 13 - Ступенчатое воздействие по каналу "Qт - ωп"
Рисунок 14 - Динамическая характеристика по каналу "Qт - ωп"
Рисунок 15 - Статическая характеристика по каналу "Qт - ωп"
Канал "Qт - Tог":
Рисунок 16 - Ступенчатое воздействие по каналу "Qт - Tог"
Рисунок 17 - Динамическая характеристика по каналу "Qт - Tог"
Рисунок 18 - Статическая характеристика по каналу "Qт - Tог"
Канал "Qв2 - ωп":
Рисунок 19 - Ступенчатое воздействие по каналу "Qв2 - ωп"
Рисунок 20 - Динамическая характеристика по каналу "Qв2 - ωп"
Рисунок 21 - Статическая характеристика по каналу "Qв2 - ωп"
Канал "Qв2 - Tог":
Рисунок 22 - Ступенчатое воздействие по каналу "Qв2 - Tог"
Рисунок 23 - Динамическая характеристика по каналу "Qв2 - Tог"
Рисунок 24 - Статическая характеристика по каналу "Qв2 - Tог"
Канал "ωр - ωп":
Рисунок 25 - Ступенчатое воздействие по каналу "ωр - ωп"
Рисунок 26 - Динамическая характеристика по каналу "ωр - ωп"
Рисунок 27 - Статическая характеристика по каналу "ωр - ωп"
Канал "ωр - Tог":
Рисунок 28 - Ступенчатое воздействие по каналу "ωк - Tог"
Рисунок 29 - Динамическая характеристика по каналу "ωр - Tог"
Рисунок 30 - Статическая характеристика по каналу "ωр - Tог"
Канал "Qр - ωп":
Рисунок 31 - Динамическая характеристика по каналу "Qр - ωп"
Рисунок 32 - Динамическая характеристика по каналу "Qр - ωп"
Рисунок 33 - Статическая характеристика по каналу "Qр - ωп"
Канал "Qр - Тог":
Рисунок 34 - Динамическая характеристика по каналу "Qр - Тог"
Рисунок 35 - Динамическая характеристика по каналу "Qр - Тог"
Рисунок 36 - Статическая характеристика по каналу "Qр - Тог"
Анализ статических и динамических зависимостей технологического комплекса сушки представленных на рисунках 10-36 показывает, что по всем рассматриваемым каналам управления объект имеет линейные зависимости между входной и выходной величинами, а так же то, что по всем рассматриваемым каналам управления объект является статическим (обладает свойством самовыравнивания).
Технологические объекты и аппараты обогатительных фабрик представляют собой сложные системы, состояние которых в каждый момент времени характеризуется несколькими входными и выходными величинами. Значения выходных величин характеризуют состояние технологического процесса, качество получаемых продуктов и эффективность управления им.
Каждая выходная величина зависит от нескольких входных величин (контролируемых или неконтролируемых). Влияние входных величин на выходные происходит по каналу передачи воздействия. Общее число каналов передачи определяется числом контролируемых m и неконтролируемых n входных и выходных p величин и составляет (m+n)р. Число возможных каналов регулирования равно mp. Из этого числа выбирают необходимый канал регулирования на основании анализа влияния управляющих воздействий на управляемый параметр.
При выборе канала управления необходимо исходить из следующих предположений:
1. В качестве выходной управляемой величины выбирается технологический параметр, который наиболее полно отражает сущность технологической операции или процесса.
2. Производится оценка возможностей непрерывного автоматического контроля выбранного регулируемого параметра путём анализа существующих технических средств контроля этого параметра и оценки точности контроля.
3. Если автоматический непрерывный контроль этого параметра невозможен или точность контроля является неудовлетворительной, в качестве регулируемого параметра принимают другой, тесно связанный с первым и который может быть использован как косвенный показатель процесса. Для него выбираются необходимые средства контроля, обеспечивающие достаточную точность.
4. В качестве управляющего воздействия выбирается входная контролируемая величина, степень влияния которой на выбранную управляемую величину наибольшая. Оценка влияния входного параметра на выходной производится по величине коэффициента передачи объекта по различным каналам.
Производится оценка возможности осуществления плавного изменения выбранного регулируемого параметра в достаточном для конкретного процесса рабочем диапазоне. Если такой возможности нет, выбирается другой параметр, хотя и с меньшим коэффициентом передачи.
Производится оценка динамических свойств выбранного канала управления. Оценка производится по отношению /Т и предпочтение отдается каналу с меньшим соотношением, а при равенстве отношений предпочтение отдаётся каналам с меньшим Т и .
Учитывая важность обеспечения постоянства, при выборе канала управления предпочтение отдается линейным статическим характеристикам.
В данном курсовом проекте в качестве основного канала управления рассматривается канал "Расход вторичного воздуха Qв2 - Влажность высушенного продукта ωп" , таким образом, в дальнейшем мы будем синтезировать систему стабилизации температуры в топке с воздействием на расход вторичного воздуха с коррекцией по влажности.
[6, 7]
4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
4.1. Выбор структуры управления технологическим комплексом
Выбор ветви Государственной системы приборов (ГСП) производится на основании характеристики условий работы проектируемой автоматической системы регулирования (взрывоопасность, пожароопасность, влажность, запыленность), эксплуатационной надежности элементов системы для условий работы в данной среде, возможности реализации системы регулирования с минимальными затратами, необходимого быстродействия, протяженности каналов связи от датчика до исполнительного механизма и т.п. Кроме того, необходимо учитывать род используемой энергии в проекте автоматизации данной фабрики.
Государственная система приборов и средств автоматизации в зависимости от рода используемой энергии подразделяется на три ветви:
1. электрическая,
2. пневматическая,
3. гидравлическая.
Технические средства электрической ветви ГСП характеризуются высокой чувствительностью, точностью, значительным быстродействием, возможностью передачи сигналов на большие расстояния, высокой степенью унификации (схемной и конструктивной). Приборы электрической ветви обеспечивают возможность непосредственной связи с УВМ, что очень важно при функционировании автоматической системы регулирования в составе АСУ ТП обогатительной фабрики. Электрическая ветвь ГСП непрерывно совершенствуется на базе новых схем и элементов, что приводит к уменьшению габаритов и массы приборов, расширению их функциональных возможностей, повышению надежности и сокращению потребляемой энергии.
Технические средства пневматической ветви ГСП могут использоваться во взрывоопасных и агрессивных средах, при наличии пыля, влаги, перегрузок. Структура, ветви позволяет реализовать любые сложные системы контроля и регулирования. Недостатками приборов пневматической ветви являются ограниченная протяженность каналов связи, малое быстродействие и необходимость установки средств сушки и очистки питающего воздуха.
Технические средства гидравлической ветви ГСП характеризуются возможностью получения значительных механических усилий с высокой точностью при небольших габаритах, работы в тяжелых условиях, получения простыми средствами плавного изменения регулирующего воздействия в широких диапазонах. Недостатками этих приборов являются ограниченность радиуса действия и необходимость специального источника энергии.
Для автоматизации обогатительных фабрик в основном применяются технические средства электрической ветви ГСП, но для некоторых отдельных процессов и аппаратов ограниченно используют приборы пневматической и гидравлической ветвей ГСП. Считается рациональным использование средств электрической ветви для получения, передачи и обработки информации, а средств пневматической и гидравлической ветвей - для исполнительных устройств, работающих в тяжелых условиях. [6]
Исходя из всего вышеописанного, в данной работе выбираем электрическую ветвь ГСП.
Выбор структуры управления объектом автоматизации оказывает существенное влияние на эффективность его работы, снижение относительной стоимости системы управления, её надежности, ремонтопригодности и т.д.
Структура управления технологическим комплексом может быть одноуровневой централизованной, одноуровневой децентрализованной и многоуровневой. Одноуровневые системы управления, в которых управление производится с одного пункта управления, называются централизованными.
Процесс сушки является многоуровневым технологическим процессом и характеризуется большим потреблением электроэнергии и большим объёмом информации, следовательно, целесообразно принять многоуровневую - 4х уровневую систему управления:
1. приборы по месту;
осуществляют функции контроля параметров процесса;
2. щиты КИПиА;
расположены средства автоматизации, пусковая аппаратура и ключи управления
3. система "Микрорадар-113А"
осуществляют функции контроля, регулирования и анализа влажности; в состав входит все необходимое оборудование от первичных датчиков вплоть до получения готовых результатов анализов в цифровой форме;
4. контрольный уровень - ПЛК Inline ILC 350 ETH
осуществляют функции контроля, стабилизирующее регулирование параметров процесса, анализа полученных результатов, визуализация, сигнализация, а также контроль состояния оборудования, дистанционное управление и оптимизация отдельных технологических процессов;
5. Scada-уровень
обеспечивает выполнение команд диспетчера, а также вывод информации о состоянии технологического оборудования, значениях основных технологических параметров и т.д. на дисплей), сбор данных с процессных станций, запись в информационный банк и архивирование в долговременную память.
Диспетчер выполняет следующие функции:
* контроль параметров,
* ручной ввод данных,
* прогнозирование основных показателей,
* расчет технико-экономических показателей,
* анализ состояния технологического оборудования,
* оптимизация отдельных технологических процессов,
* учёт производства и составление данных за смену.
4.2. Выбор принципов контроля и управления комплексом
Известны три фундаментальных принципа управления: по возмущению, по отклонению, комбинированный принцип управления.
Принцип управления по возмущению предполагает контроль возмущающего воздействия, наличия точного математического описания связи между возмущающим и управляющим воздействиями. Принцип обладает следующим преимуществом: высокое быстродействие и следующим недостатком - необходимость иметь точное математическое описание.
Принцип управления по отклонению предполагает измерение величины отклонения регулируемого параметра. Достоинством данного принципа является высокая точность, а недостатком большое время регулирования.
Комбинированный принцип управления сочетает в себе достоинства и недостатки первых двух принципов управления.
При автоматизации технологических комплексов сушки решаются следующие задачи:
1. Автоматический контроль состояния технологического оборудования:
а) давления в топливной и воздушной магистралях;
б) наличия пламени факела горелок топки;
в) уровня высушенного материала в разгрузочной камере сушильного агрегата;
г) температура газов до и после электрофильтра;
д) времени работы и простоев технологического оборудования.
2. Автоматический контроль технологических параметров:
а) производительности сушильных агрегатов;
б) расходов топлива, первичного и вторичного воздуха; в) влажности высушенного продукта;
г) разрежения в топке;
д) температуры в топке, сушильном барабане, отходящих газов.
3. Автоматическая стабилизация технологических параметров:
а) производительности сушильных агрегатов;
б) температуры в топке, отходящих газов;
в) влажности высушенного продукта;
г) соотношения "топливо - воздух".
Целью автоматического управления процессом сушки является либо стабилизация основных выходных параметров - производительности по высушенному продукту Qп и влажности продукта ωп.
либо оптимизация
Система управления должна обеспечивать оптимальный режим горения, необходимую скорость сушильного агента (топочных газов) через сушильный барабан, поддержание температурного режима в различных точках сушила и стабильную влажность высушенного продукта.
Для выполнения задач управления система должна содержать следующие контуры:
1) стабилизации соотношения "топливо - воздух", который обеспечивает выполнение необходимых условий сжигания топлива;
2) стабилизации температуры газов на входе в сушильный барабан, обеспечивающий постоянство температуры сушильного агента перед контактом с материалом;
3) стабилизации тягодутьевого режима, обеспечивающего нормальный режим горения, соответствующую скорость сушильного агента и определяющего интенсивность сушки;
4) стабилизации влажности высушенного продукта, обеспечивающего заданное значение влажности.
На основание перечня необходимых систем автоматического контроля и регулирования выполняется схема автоматизации технологического комплекса (смотри лист 2 графической части работы).
[5]
4.3. Аппаратурная реализация систем автоматизации комплекса
Для решения этих задач используются следующие системы автоматического контроля, регулирования и стабилизации:
1. Система автоматического контроля и сигнализации давления в топливной магистрали. Это система необходима для безопасной эксплуатации сушильного агрегата. В состав системы входят следующие элементы: датчик 1а - датчик реле давления РП-400П;1б - напоромер мембранный НМП-52-М2, который дублирует сигнал датчика РП-400П. При снижении давления в магистрали ниже критического реле срабатывает и подает сигнал в схему аварийной сигнализации и на отсечку топлива.
2. Система автоматического контроля и сигнализации давления в воздушной магистрали (первичный воздух). Это система необходима для безопасной эксплуатации сушильного агрегата. В состав системы входят следующие элементы: датчик 2а - датчик реле давления РП-400П;2б - напоромер мембранный НМП-52-М2, который дублирует сигнал датчика РП-400П. При снижении давления в магистрали ниже критического реле срабатывает и подает сигнал в схему аварийной сигнализации и на отсечку топлива.
3. Система стабилизации расхода топлива с воздействием на расход первичного воздуха с коррекцией по расходу первичного воздуха. В состав системы входят следующие элементы: датчик 3а - диафрагма камерная ДКС-0,6, сигнал с которого проходит через преобразователи разности давления "Метран 100ДД" и ПЛК Inline ILC 350 ETH. ПЛК через 3г - механизм электрический однооборотный МЭО 4/63х063 воздействует на задвижку ПТ 11055-200 (30с941нж) 3д, изменяя тем самым расход первичного воздуха. Корректирующую систему составляют следующие элементы: датчик 5а - диафрагма камерная ДКС-0,6; 5б - преобразователи разности давления "Метран 100ДД", сигнал с которого поступает в ПЛК.
4. Система автоматического контроля и сигнализации расхода вторичного воздуха. В состав системы входят следующие элементы: датчик 6а - диафрагма камерная ДКС-0,6; 6б - преобразователь разности давления "Метран 100ДД", сигнал с которого поступает в ПЛК. При снижении давления в магистрали ниже критического подает сигнал в схему аварийной сигнализации и на отсечку топлива.
5. Система стабилизации температуры в топке с воздействием на расход топлива. В состав системы входят следующие элементы: датчик 7а - термопреобразователь ТСП "Метран-205(50М)", сигнал с которого идет на ПЛК Inline ILC 350 ETH. ПЛК через 7б - магнитный пускатель и 7в- МЭО 4/63х063 воздействует на задвижку ПТ 11055-200 (30с941нж) 7г, изменяя тем самым расход первичного воздуха.
6. Система стабилизации разряжения в топке с воздействием на изменение задвижки дымососа. В состав системы входят следующие элементы: датчик 7а - датчик разряжения "Метран-100Ех-ДВ", сигнал с которого идет на ПЛК Inline ILC 350 ETH. ПЛК через 9б - магнитный пускатель ПБР 2М и 9в - МЭО 4/63х063 воздействует на задвижку 9г, изменяя тем самым разряжение в топке.
7. Система автоматического контроля и сигнализации горения факела. Для контроля наличия факела служит запально-защитное устройство (ЗЗУ), предназначенное для автоматического или дистанционного зажигания горелок, работающих на газообразном топливе. В состав ЗЗУ входят: 11б - запальник электрический газовый ЭЗ-М для зажигания топлива; 11а - преобразователь наличия пламени ПНП для контроля наличия запального факела, по сигналу которого газ поступает в горелки; электромагнитный клапан для подачи топлива в форсунки. При исчезновении факела с ПНП подается сигнал в ПЛК, который подает сигнал на электромагнитный клапан для прекращения подачи топлива в форсунки.
8. Система автоматического контроля и сигнализации температуры перед и после электрофильтра. В состав системы входят следующие элементы: датчики 13а, 14б - термопреобразователь ТСП "Метран-205(50М)", сигнал с которого идет на ПЛК Inline ILC 350 ETH.
9. Система автоматического контроля и сигнализации уровня заполнения шахтного сушила. В состав системы входят следующие элементы: 15а, 16б - радиометрический преобразователь уровня Gammapilot M, сигнал с которого идет на ПЛК Inline ILC 350 ETH. 10. Система стабилизации температуры в топке с воздействием на расход вторичного воздуха с коррекцией по влажности высушенного продукта. В состав системы входят следующие элементы: датчики 16а- термопреобразователь ТСП "Метран-205(50М)", сигнал с которого идет на ПЛК Inline ILC 350 ETH. ПЛК через 16б - магнитный пускатель ПБР 2М и 16в - МЭО 4/63х063 воздействует на задвижку ПТ 11055-200 (30с941нж) 16г, изменяя тем самым расход вторичного воздуха. Корректирующую систему составляют следующие элементы: 18а, 18б - влагомер "Микрорадар-113А", сигнал с которого поступает в ПЛК.
11. Отсечка
При достижении критических значений, какого либо параметра процесса происходит отсечка топлива.
Автоматизация комплекса выполнена на базе программируемого логического контролера (ПЛК) Inline ILC 350 ETH, в состав которого входят 6 модулей. (смотри приложение -Выбор ПЛК)
ПЛК Inline ILC 350 ЕТН расширяет область применения контроллеров Ilnline до систем среднего размера. Встроенный Ethеrnet -интерфейс и мощный процессор значительно расширяют коммуникационные возможности контроллеров. Ethеrnet -интерфейс служит для соединения с другими контроллерами и системами управления. Обмен данными между контроллерами производится с помощью коммуникационных модулей IEC 61131 -5. С помощью коммуникационных модулей TCP/IP производится обмен данными с любыми устройствами и системами, поддерживающими протокол TCP/IP. Контроллер ILC 350 ЕТН полностью конфигурируется и программируется с помощью PC WorX в соответствии с МЭК 61131. При установке в шкаф управления контроллер Inline может использовать как централизованное или децентрализованное устройство управления. Комплект автоматизации Inline допускает непосредственное расширение, благодаря чему контроллер может быть легко настроен на решение любой задачи. Кроме того, к удаленной шине INTERBUS может быть подсоединено ответвление для подключения распределенных датчиков и исполнительных элементов. Загрузка и тестирование прикладных программ производится с помощью Ethеrnet или локального программного интерфейса RS-232. Использование контроллеров Inline в качестве распределенных систем управления позволяет создавать предварительно протестированные механические и электрические модули, которые могут быть объединены в модульную систему для создания решений под ключ. Путем объединения протестированных функциональных модулей для механических, электрических устройств, периферийных устройств ввода-вывода и управляющих программ значительно сокращается продолжительность проектировки, монтажа и ввода в эксплуатацию.
Тип подключения - INTERBUS-Master. Память для данных составляет 2,4999561309814 Мбайт, а программное запоминающее устройство - 1 Мбайт, стандартная команда IL. - 85 к. Память для постоянного хранения данных - 8 кбайт (энергонезависимая память). Степень защиты IP-20.
Используемые дискретные модули:
- Модуль дискретного вывода IB IL 24 DO 8-PAC/SN
8 выходов, 24 В постоянного тока, 500 мА, 2, 3, 4-проводная схема подключения, стандартная маркировка
Используемые аналоговые модули:
- Модуль аналогового ввода IB IL AI 8/SF-PAC;
8 входов, 0 - 20 мА, 4 - 20 мА, ±20 мА, 0 - 10 В, ±10 В (дополнительно 0 - 40 мА, ±40 мА, 0 - 5 В, ±5 В, 0 - 25 В, ±25 В, 0 - 50 В), 2-проводная схема подключения
- Модуль аналогового ввода с HART протоколом IB IL AI 2-HART-PAC;
2 входа, 0 - 25 мА, 4 - 20 мА, 2-проводная схема подключения, функции HART, передача данных с использованием протокола HART
- Модуль ввода для термоэлементов IB IL TEMP 6 RTD HEI 1 DO6-PAC;
модуль Inline с измерителями температуры, с мультиплексной передачей данных, с 6 входами для резистивных термометров, 6 дискретных выходов (24 В, 70 мА), 1 вход для определения полного тока через нагревательные элементы.
Модули аналогового ввода Inline предназначены для подключения стандартных датчиков и приема сигналов тока или напряжения. Модуль имеют следующие особенности:
- высокая точность измерения,
- быстрая регистрация измеренных значений,
- высокая степень подавления помех и синфазной составляющей,
- регистрация измеренных значений с 16-битным разрешением.
Все модули обладают стандартными возможностями клеммных модулей аналогового ввода Inline, такими как, многопроводная система подключения и автоматическое подключение к заземлению при установке на DIN-рейку. Модули Inline могут оснащаются откидными держателями для маркировки. В держатели вставляются маркировочные карточки, соответствующие назначению модуля.
Таким образом контроллер состоит из 4 модулей: одного модуля - IB IL AI 8/SF-PAC и IB IL TEMP 6 RTD HEI 1 DO6-PAC, двух модулей - IB IL AI 2-HART-PAC.
ПЛК рекомендуют располагать на DIN -рейке 35мм по DIN EN 50022.
[5, 10, 11]
Результатом выбора всех технических средств и приборов в соответствии со схемой автоматизации является составление заказной спецификации (смотри лист 3 графической части работы).
5. СИНТЕЗ ЛОКАЛЬНОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
РЕГУЛИРОВАНИЯ
5.1. Выбор датчика
Выбор датчиков технологических параметров определяется физической природой параметра. При этом анализируются технические характеристики и возможности всего ряда датчиков, пригодных для измерения регулируемой величины.
1. При анализе в процессе выбора датчика в первую очередь необходимо учитывать характеристики контролируемой и окружающей сред (температуру, влажность, давление и т. д.), в которых придется работать прибору. Здесь также учитываются условия, в которых находится контролируемый параметр (в открытых емкостях, находящихся под атмосферным давлением, в закрытых емкостях под избыточным давлением, в трубопроводах и т. д.). Условия окружающей среды влияют на исполнение датчика (искробезопасное, тропическое и т. д.).
2. Диапазон действия датчика выбирается с учетом минимальных и максимальных длительных значений контролируемой величины. Необходимо учитывать, что необоснованно завышенный диапазон действия датчика снижает точность контроля.
3. Погрешность датчика не должна превышать допустимой погрешности контроля регулируемой величины, которая определяется технологией производства и погрешностью регулирования по выбранному каналу управления.
4. Датчик должен выбираться с учетом передачи сигнала в последующие элементы автоматической системы управления. Это значит, что выходной сигнал датчика должен соответствовать сигналу связи, принятому в проектируемой автоматической системе управления.
5. Число выходных сигналов датчика (число выходных преобразователей) определяется принятым составом функциональной схемы автоматической системы управления.
6. При выборе датчика необходимо установить возможность обеспечения условий для нормальной работы и реализации его паспортных параметров в предполагаемом месте установки. Например, для обеспечения нормальной работы диафрагменного расходомера объемного расхода необходимо иметь длину прямолинейного участка трубопровода 10D до и 20D после расходомера (где D - диаметр трубопровода). Для работы щелевых расходомеров объемного расхода и расхода твердого необходим определенный перепад высот трубопровода и т. д.
7. Немаловажное значение имеют механическая прочность датчика и его стоимость. Это в первую очередь относится к чувствительным элементам датчиков ионного состава пульпы, пьезометрическим датчикам уровня и плотности пульпы и т. д. Стоимость датчика сказывается на затратах по внедрению АСР, поскольку на обогатительных фабриках обычно функционирует большое число однотипных систем.
Для САР температуры в топке с воздействием на расход вторичного воздуха с коррекцией по влажности необходим датчик для измерения влажности высушенного продукта.
Влажности высушенного продукта определяет эффективность дальнейшего процесса обогащения асбеста, оказывая влияние на его качественные показатели. В практике автоматизации асбестовых обогатительных фабрик применяются влагомеры электрические, инфракрасные или нейтронные.
К электрической группе влагомеров относится сверхвысокочастотный влагомер поточный "Микрорадар-113А" (ООО "Микрорадар-Сервис"Украина) (рисунок 37), предназначенный для непрерывного автоматического контроля влажности сыпучих сред (неэлектропроводных) непосредственно в технологическом процессе методом микроволновой влагометрии.
Прибор предназначен для работы на ленточных конвейерах и в бункерах в условия высоких температур и запыленности, при высокой абразивностии агрессивности материала. Принцип действия влагомера основан на измерении величины поглощения СВЧ энергии влажным материалом и преобразовании этой величины в цифровой код, соответствующий влажности материала. Влагомер обеспечивает автоматическую коррекцию результатов измерения при изменении температуры материала, имеет токовый выход и последовательный канал связи с ЭВМ RS-485.
Сигнал сенсоров поступает в микропроцессорный блок обработки, в котором происходит вычисление влажности. Величина влажности показывается на индикаторном табло микропроцессорного блока и преобразуется в аналоговые выходы 4-20 мА и 0-5 В.
По каналу RS485 влажность, температура и сигналы сенсоров могут передаваться в компьютер. В комплект поставки прибора входит программа накопления и отображения влажности в реальном масштабе времени, что позволяет записывать на компьютер, наблюдать, хранить и печатать информацию о влажности за любой период времени. Точность измерения влажности от 0,15% до 1 % в зависимости от диапазона влажности. с учетом погрешности пробоотбора и погрешности измерения влажности стандартным методом, например, сушкой в сушильном шкафу.
Рисунок 37 - "Микрорадар-113А". Общий вид
Принцип работы влагомера: Прибор представляет собой микроволновой резонаторный влагомер, построенный на основе четвертьволнового открытого резонатора. Добротность и частота резонатора зависят от влажности и плотности помещенного в сенсор влажного материала. Оригинальный алгоритм обработки позволяет компенсировать изменение плотности и измерять с высокой точностью влажность материалов, существенно нестабильных по насыпной плотности.
Таблица 6 - Основные метрологические характеристики "Микрорадар-113А"
Диапазон измерения влажности, %Погрешность, % абс.0,5-30,150-20,515-301,030-602,0 Таблица 7 - Основные технические характеристики "Микрорадар-113А"
Наименование параметраЗначениеУнифицированный аналоговый выход (по выбору)ток (4 ... 20; 0-5; 0-20) мАНагрузочная способность токового выхода, Ом< 500Канал связи с ЭВМRS-485Время установления рабочего режимане более 20 минРежим работынепрерывныйНапряжение питания220 В (+22 В...-33В)Потребляемая мощностьне более 50 В*АГабаритные размеры блока преобразования (БПр)255 х 180 х 90 ммМасса блока преобразованияне более 1,0 кгГабаритные размеры блока индикации (БИ)130 х 130 х 75 ммМасса блока индикации (БИ)не более 0,5 кгГабаритные размеры блока сенсора175 х 234 х 274 ммМасса блока сенсоране более 6,0 кгУдаление блока сенсора от БПрне более 25,0 мУдаление БПр от БИне более 100 мИсполнение корпусов блоковIPI54 [5, 12]
5.2. Выбор регулятора и расчет его настроек
В заданной локальной системе регулирования необходимо применение двух регулирующих команд ПЛК:
1. Для стабилизации температуры в топке;
2. Для коррекции по влажности высушенного продукта.
Рисунок 38 - Алгоритмическая структура системы автоматического регулирования температуры в топке с коррекцией по влажности
Выбор регулятора производится на основе имеющихся статических и динамических характеристик объекта регулирования по выбранному каналу регулирования, требований к показателям качества процесса регулирования (таблица 8), функции и структуры схемы автоматизации.
Таблица 8 - Требования к показателям качества процессов регулирования
Показатели качестваРегулятор №1Регулятор №2Остаточное отклонение регулируемой
величиныδ = 0δ = 0Допустимое перерегулированиеσ ≤ 20 %σ ≤ 40 %Предельно допустимое время регулированияtр  4Totр  любоеДинамический коэффициент регулированияRд = 0,4Rд = 0,35Максимально допустимое динамическое
отклонение -у1 ® min Под выбором регулятора понимают выбор закона регулирования. Для выбора закона регулирования по основному каналу "Qв2 - Тсм" и по корректирующему каналу "Тсм -ωп" необходимы следующие исходные данные:
ko - коэффициент передачи объекта по принятому каналу;
To - постоянная времени объекта;
о - время запаздывания объекта.
Указанные параметры для основного канала "з - Тсм" определенны расчётным путём и соответственно равны: ko1 = 0,45; To1 = 600 c, o1 = 180 c; о1/To1 = 0,3.
Для второго регулятора статические и динамические параметры определяются по кривой разгона, путем аппроксимации объекта звеном первого порядка с запаздыванием.
При аппроксимации объекта по выбранному каналу звеном первого порядка с запаздыванием тип регулятора (релейный, непрерывный, импульсный) ориентировочно выбирают по отношению запаздывания к постоянной времени объекта по каналу регулирования.
Если о/To  0,2 то можно выбирать релейный, непрерывный или импульсный регулятор. При 0,2 < о/To  1,0 выбирают непрерывный или импульсный регулятор, а при о/To > 1 - импульсный регулятор.
Исходя из выше описанного, произведем выбор регулятора для основного канала. Так как отношение о1/To1 равно 0,3, то выбираем непрерывный регулятор.
По сформулированным требованиям к качеству переходного процесса (таблица 8) выбираем тип переходного процесса и закон регулирования, которые удовлетворяют этим требованиям:
* граничный апериодический;
* с 20%-ным перерегулированием;
* с минимальной квадратичной площадью отклонения.
Граничный апериодический процесс характеризуется минимальным временем регулирования, полным отсутствием перерегулирования и наибольшим среди рассматриваемых переходных процессов динамическим отклонением регулируемой величины, минимальным изменением управляющего воздействия и  = 1 ÷ 0,95.
Процесс с 20%-ным перерегулированием применим тогда, когда допускается некоторое перерегулирование, позволяющие снизить максимальное динамическое отклонение. Время первого полупериода колебаний минимально и  = 0,95 ÷ 0,85.
Процесс с минимальной квадратичной площадью отклонения характеризуется большим временем регулирования, 40%-ным перерегулированием, наименьшим динамическим отклонением, максимальным по регулированию воздействием и y = 0,85 ÷ 0,75. Этот процесс выбирают тогда, когда необходимо минимальное отклонение регулируемой величины, даже при ухудшении других показателей.
По каналу "Qв2 - Тсм" выбираем процесс с 20%-ным перерегулированием.
Руководствуясь следующим, производим предварительный выбор закона регулирования:
И-регулятор применяется для автоматизации статических объектов, П-, ПИ- и ПИД-регуляторы - для любых объектов.
П- ПИ- и ПИД-регуляторы обеспечивают регулирование без статической ошибки (она не превышает зоны нечувствительности регулятора). И-регулятор допускает наибольшее динамическое отклонение регулируемой величины, П- и ПИ-регуляторы значительно его уменьшают, ПИД-регулятор обеспечивает минимальное динамическое отклонение регулируемой величины. П- и ПИД-регуляторы обеспечивают минимальное время регулирования, применение ПИ-регулятора увеличивает время регулирования примерно в два раза по сравнению с ПИД-регулятором. Максимальное время регулирования получается при использовании И-регулятора.
Уточнённый выбор закона регулирования производят, используя графические зависимости Rд - tо/To приведенные в [6, 8].
Выбирается закон, обеспечивающий при данном tо/To и выбранном типовом процессе регулирование необходимое значение коэффициента регулирования Rд.
Учитывая, что технологический комплекс сушка по каналу "Qв2 - Тсм" является объектом с самовыравниванием (статическим объектом) по номограммам определяем предварительно закон регулирования. В соответствии с Rд и определённым ранее отношением tо1/To1 принимаем предварительно ПИ закон регулирования. Проверяем удовлетворяет ли принятый предварительно закон регулирования времени регулирования по номограммам. Для этого используют графики зависимости tр/tо - tо/To приведенные в [6,8] (желаемое время регулирования  4То, что составляет 2400 секунду).Таким образом, окончательно принимаем ПИ закон регулирования.
Для ПИ-регулятора настроечными параметрами являются: kр - коэффициент передачи регулятора, Tи - постоянная времени интегрирования.
По расчётным формулам для статических объектов и типовых процессов, находим:
(5.1)
(5.2)
Далее для расчета настроек корректирующего регулятора подаем ступенчатое воздействие на "хзадание 1" и снимаем разгонную характеристику сложного объекта по каналу "хзадание 1 - ωп" при отсутствии корректирующего регулятора.
Рисунок 39 - Динамическая характеристика по каналу "Х задание 1 - ωп"
Аппроксимируя динамическую характеристику сложного объекта получаем следующий результат: kс.о. = 0,16, Tс.о. = 533,33 c, с.о. = 300 c, с.о./Tс.о. = 0,56.
По отношению с.о./Tс.о. необходимо выбрать тип регулятора. Исходя из особенностей технологического цикла, мы не можем выбрать релейный регулятор, поэтому выбираем непрерывный регулятор.
По сформулированным требованиям к качеству переходного процесса (таблица 8) выбираем процесс с минимальной квадратичной площадью отклонения.
По номограммам [6, 8] предварительно выбираем закон регулирования. В соответствии с Rд и определенным ранее отношением с.о./Tс.о. предварительно принимаем ПИ закон регулирования. Проверяем, удовлетворяет ли принятый предварительно закон регулирования времени регулирования по номограммам (предельно допустимое время регулирования любое).
Для статических объектов (переходной процесс с минимальной квадратичной площадью отклонения, ПИД закон регулирования) отношение tр/с.о. равно 18, следовательно время регулирования составляет 5400 секунд, следовательно, окончательно принимаем ПИ закон регулирования.
Для ПИ-регулятора настроечными параметрами являются: kр - коэффициент передачи регулятора, Tи - постоянная времени интегрирования.
По расчётным формулам для статических объектов и типовых процессов, находим:
(5.3)
(5.4)
Данные настройки программируются в ПЛК Inline ILC 350 ЕТН на PC WorX в соответствии с МЭК 61131.
[6, 8]
5.3. Выбор исполнительного механизма и регулирующего органа
Стабилизация температуры в топке осуществляется путём изменения угла поворота регулирующего органа на трубопроводе, изменяющего расход вторичного воздуха.
Регулирующий орган может быть: заслонка, клапан, шибер, и т.д. Выбор регулирующего органа определяется характеристикой регулируемой среды, требованиями к линейности расходной характеристики и необходимой плотностью закрытия.
Труба, по которой течет вторичный воздух имеет диаметр условного прохода Dу = 200 мм.
В качестве регулирующего органа была выбрана задвижка стальная клиновая литая с выдвижным шпинделем типа ПТ 11055-200 (30с941нж) с диаметром условного прохода Dу = 200 мм. Задвижка применяется в качестве запорного устройства на трубопроводах, транспортирующих воздух, где температура рабочей среды ≤ 300 °С
При выборе исполнительного механизма необходимо учитывать следующие требования:
• обеспечение энергетических и динамических свойств механизма при совместной работе с регулирующим органом в автоматической системе регулирования;
• плотное закрывание или открывание затвора регулирующего органа;
• надежность работы исполнительного механизма.
При выборе также учитываются конструктивные способности приводных элементов регулирующего органа, с которым должен сочленяться выходной элемент исполнительного элемента, т.к. от этого зависит выбор вида исполнительного механизма. Важная характеристика исполнительного механизма, которую нужно учитывать при выборе - быстродействие, определяемое угловой скоростью выходного вала исполнительного механизма, или время одного полного хода выходного элемента. Исполнительный механизм должен обеспечивать такую скорость перемещения затвора регулирующего органа, чтобы она была больше скорости изменения основных возмущений.
Вид исполнения исполнительного механизма - пылевлагозащищенное, определяется внешними условиями среды, в которой они эксплуатируются. Для сочленения исполнительного механизма с регулирующим органом в автоматической системе регулирования используем механическую связь. Конкретный исполнительный механизм выбирают в зависимости от величины усилия, необходимого для перестановки затвора регулирующего клапана или величины момента для поворотных заслонок.
Из каталогов делаем выбор в пользу электрического исполнительного элемента типа МЭО 4/63х063. Принцип действия основан на преобразовании электрического командного сигнала во вращательное движение постоянной скорости при помощи малоинерционного однофазного асинхронного двигателя типа ДАУ - 4 и редуктора.
Технические данные МЭО 4/63х063:
- напряжение питания 220В;
- потребляемая мощность в стопорном режиме 23Вт;
- номинальное время полного хода выходного вала 63с;
- полный ход выходного вала 63с;
- рабочий угол выходного выла 45 град;
- масса 6,5 кг.
Выбор усилителей мощности определяется типом исполнительного механизма. Для исполнительного механизма с постоянной скоростью соответствуют контакты (МКР-0-85, ПМРТ-69-1,2) или бесконтактные (ПБР-2-3) реверсивные пускатели. В нашем случае подойдет бесконтактный реверсивный пускатель типа ПБР-2М.
[11]
5.4. Расчет надежности системы
Проектируемая система автоматического регулирования должна отвечать многим требованиям качества, в том числе требованиям надёжности.
Под надёжностью в общем случае понимают способность системы выполнять заданные функции в течение заданного времени в определённых условиях.
Расчёт надёжности системы производим упрощённым методом, когда все элементы системы считаются соединёнными последовательно и отказы их не зависят друг от друга.
Упрощенные методы расчета характеристик надежности отдельной автоматической системы регулирования позволяют: сравнивать по надежности различные варианты (по составу, структуре) схем автоматизации; выявлять наиболее надежные элементы, определяющие общую низкую надежность всей системы; оценивать необходимое время восстановления для восстанавливаемых изделий с целью достижения необходимой надежности всей схемы; оценивать необходимость и выбирать способ резервирования всей схемы или ее отдельных элементов.
Количественной характеристикой отказов элементов системы является интенсивность отказов (таблица 9), которая определяется по формуле:
(5.5)
где n - количество элементов системы;
i - интенсивность отказов i-ro элемента системы;
с - интенсивность отказа системы.
Вероятность безотказной работы системы:
(5.6)
Таблица 9 - Значения интенсивности отказов элементов системы
Наименования изделийИнтенсивность
отказов, х10-5Вероятность безотказной работы
боты ТСП Метран 205 (50П) 0,5 0,92 Влагомер "Микрорадар-113А" 0,2 0,81 Исполнительный механизм МЭО 4/63х063 0,15 0.93 Задвижка типа ПТ 11055-200 0,3 0,74 Магнитный пускатель ПБР-2М 0,05 0,99 ПЛК Inline ILC 350 ЕТН 0,02 0,98 Подставив значения интенсивности отказов из таблицы 9 в выражение (5.11) определим интенсивность отказов системы:
с = (0,5 + 0,2 + 0,15 + 0,3 + 0,05 + 0,02)х10-5 = 1,22х10-5 1/ч
Следовательно, наработка на отказ составит:
Тс = 1/c = 1,22х104 ч
Вероятность безотказной работы системы определим из выражения (5.6):
Следовательно, вероятность безотказной работы системы автоматического регулирования в течение года составит 72%.
[7, 10, 11, 12]
5.5. Моделирование автоматической системы регулирования
Моделирование автоматической системы регулирования осуществляем с помощью пакета SIMULINK прикладного программного обеспечения MathWorks Matlab 6.5 release13.
Передаточные функции имеют следующий вид:
передаточная функция объекта управления основного контура (заслонки); передаточная функция регулятор основного контура с расчетными параметрами; передаточная функция регулятор корректирующего контура с расчетными параметрами; Расчетные настройки основного регулятора не являются оптимальными, так как при этих настройках переходной процесс по каналу "Qв2 - Ттп" (рисунок 40) не удовлетворяет требованиям с точки зрения качественных показателей (таблица 8) - σ =.13%, Rд = 0,33,  = 0. Таким образом, необходимо экспериментальным путем подобрать оптимальные либо близкие к ним настройки основного регулятора.
После непродолжительного экспериментирования удалось подобрать настройки основного регулятора близкие к оптимальным (рисунок 41, 42): kp = 4,9; Ти = 259,37 с. При этих настройках качественные показатели процесса будет следующие: σ = 20%, Rд = 0,38,  = 0.
Расчетные настройки корректирующего регулятора являются оптимальными, так как при этих настройках переходной процесс по каналам "Qв2 - Ттп", "Qв2 - ωп" (рисунок 43) удовлетворяет требованиям с точки зрения качественных показателей (таблица 8). При этих настройках качественные показатели процесса будет следующие: σ ≤ 40%, Rд = 0,33, y1 → min,  = 0.
Исходя из требований, полученный переходной процесс можно считать удовлетворительным.
Если сравнивать качественные показатели переходных процессов без коррекции (рисунок 42) и с коррекцией (рисунок 43), то разница заключается во времени переходного процесса: с коррекцией оно меньше.
Рисунок 40 - Графики переходных процессов объекта управления стабилизирующего контура с регулятором (а) и без регулятора (б) при расчетных настройках
основного регулятора по каналу "Qв2 - Ттп"
Рисунок 41- Графики переходных процессов объекта управления стабилизирующего контура с регулятором (а) и без регулятора (б) при оптимальных
настройках основного регулятора по каналу "Qв2 - Ттп"
Рисунок 42 - Графики переходных процессов объекта управления с регулятором (а) и без регулятора (б) при оптимальных настройках основного регулятора без корректирующего
регулятора по каналу "Qв2 - ωп"
Рисунок 43 - Графики переходных процессов объекта управления с регулятором (а) и без регулятора (б) при оптимальных настройках основного и корректирующего регуляторов
по каналу "Qв2 - ωп"
[6, 7]
5.6. Статическая и динамическая настройка системы
В качестве щита управления проектируемой АСР, для размещения необходимых средств контроля и управления в соответствии с требованиями эргономики, условий эксплуатации и техники безопасности выбираем компактный распределительный шкаф (КРШ) АЕ 1090,50 Rittal. Шкаф представляет собой корпус, с одной дверью; 1 вводная панель в полу корпуса; правая навеска двери меняется на левую, с двойной прорезью; литая дверная прокладка; оцинкованная монтажная панель. ПЛК Inline ILC 350 ETH крепится на Din-рейке 35мм по Din EN 50022.
Приложение (лист 4, 5) содержит вид спереди и вид на внутренние плоскости щита и спецификация на щит.
Выбранные значения настроенных параметров для основного и корректирующего регулятора программируются в ПЛК Inline ILC 350 ЕТН на PC WorX в соответствии с МЭК 61131.
[4, 7, 10, 13]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Курсовой проект по дисциплине "Автоматизация технологических процессов и производств" выполненный на тему "Автоматизация технологического комплекса сушки в условиях обогатительной фабрики "Оренбургские минералы".
В работе рассмотрен технологический комплекс сушка в условиях обогатительной фабрики "Оренбургские минералы". На основании анализа технологического комплекса как управляемого объекта была получена математическая модель комплекса и проведена структурная и параметрическая идентификация. Результатом моделирования являлось выявление основных каналов управления и получение статических и динамических характеристик по данным каналам управления. На основе анализа полученных характеристик был выбран основной канал управления.
На основании библиографического и патентного обзора была разработана схема автоматизации технологического комплекса сушки, обеспечивающая получение заданных качественных и количественных показателей на выходе комплекса.
Был произведен расчет локальной системы управления стабилизации температуры в топке с коррекцией по влажности, который заключался в выборе основных элементов системы, расчете настроек контуров регулирования и моделировании системы. Так же была рассчитана надежность системы, разработан операторский щит системы.
Модель системы позволяет экспериментировать с системой без ущерба для производства. Можно сделать выводы о том, что автоматизация технологического комплекса ведёт к улучшению работы комплекса. Разные системы автоматического регулирования в разной степени улучшают работу комплекса и параметры процесса, не оказывая при этом существенного влияния на протекание самого процесса.
Автоматизация технологического комплекса приводит к экономии энергоресурсов, улучшения экологической обстановки, снижения себестоимости готовой продукции. Но с другой стороны автоматизация влечет за собой финансовые издержки на новое оборудование и на повышение квалификации обслуживающего персонала.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Козин В.З., Троп А.Е., Комаров А.Я. - Автоматизация производственных процессов на обогатительных фабриках: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1980.
2. Персиц В.З. - Измерение и контроль технологических параметров на обогатительных фабриках, М.: Недра, 1982.
3. Персиц В.З. - Разработка и патентование систем автоматизации обогатительных фабрик, М.: Недра, 1990.
4. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие/ Клюев А. С., Глазов Б.И., Дубровский А.Х., М.: Энергоатомиздат, 1990.
5. Прокофьев Е.В. - Автоматизация обогатительных фабрик: Учебное пособие. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2006
6. Прокофьев Е.В. - Системы автоматизации и управления: учебное пособие. - Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 1999.
7. Прокофьев Е.В. - Автоматизация технологических процессов и производств: Методическое пособие по выполнению курсового проекта по дисциплине "Автоматизация технологических процессов и производств", Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2007.
8. Троп А.Е., Козин В.З., Прокофьев Е.В., "Автоматическое управления технологическими процессами обогатительных фабрик", М.: Недра, 1986.
9. Технический отчет по научно-исследовательской работе - Разработка системы автоматического регулирования сушки асбестовой руды (САР ПСАР), Асбест, "НИИпроектасбест", 2004.
10. www.phoenixcontact.ru
11. www.zeim.ru
12. www.microradartest.ru
13. www.rittal.ru
ПРИЛОЖЕНИЕ
Выбор программируемого логического контроллера
Выбор программируемого логического контроллера производился по каталогу фирмы-изготовителей Phoenix Contact с учетом следующих соображений:
1.Система расширяет возможности существующей системы управления и устанавливается она на новом оборудовании. Выбранный ПЛК Inline ILC 350 ЕТН совместим с выбранным оборудованием.
2.Параметры эксплуатации контроллера: * рабочая температура 0 - 50 °С;
* относительная влажность при температуре 35 °С составляет 95%;
* степень защиты от проникновения твердых тел и воды по ГОСТ 14254 - IP20;
* Климатическое исполнение и категория помещения по ГОСТ 15150 - УХЛ 4.2
Данные параметры соответствуют месту расположения контроллера
3. По схеме автоматизации определяем число дискретных устройств и их тип (устройство переменного тока на 220 В, постоянного тока на 24 В и т.п.), которое непосредственно влияет на количество каналов ввода/вывода (смотри таблицу 1).
Таблица 1- Устройства с дискретным входом
УстройствоКоличество устройств
схемеВходной сигналМагнитный пускатель ПБР-2М424ВЗапальник электрически газовый ЭЗ-М124В
Выбираются модули ПЛК, имеющие большее, чем в системе количество каналов (больше 5 дискретных выводов) обеспечивающие ввод/вывод необходимых типов сигналов:
- Модуль дискретного вывода IB IL 24 DO 8-PAC/SN
8 выходов, 24 В постоянного тока, 500 мА, 2, 3, 4-проводная схема подключения, стандартная маркировка
4.По схеме автоматизации определяется число аналоговых устройств и их тип (входы: 0-10 В, 4-20 мА, термопары, терморезисторы; выходы: 0-10 В, 4-20 мА) (смотри таблицу 2).
Программируемый логический контроллер должен иметь модули, обеспечивающие ввод/вывод с большим количество аналогового ввода/вывода, чем в системе (больше 10 вводов):
- Модуль аналогового ввода IB IL AI 8/SF-PAC;
8 входов, 0 - 20 мА, 4 - 20 мА, ±20 мА, 0 - 10 В, ±10 В (дополнительно 0 - 40 мА, ±40 мА, 0 - 5 В, ±5 В, 0 - 25 В, ±25 В, 0 - 50 В), 2-проводная схема подключения
- Модуль аналогового ввода с HART протоколом IB IL AI 2-HART-PAC;
2 входа, 0 - 25 мА, 4 - 20 мА, 2-проводная схема подключения, функции HART, передача данных с использованием протокола HART
- Модуль ввода для термоэлементов IB IL TEMP 6 RTD HEI 1 DO6-PAC;
модуль Inline с измерителями температуры, с мультиплексной передачей данных, с 6 входами для резистивных термометров, 6 дискретных выходов (24 В, 70 мА), 1 вход для определения полного тока через нагревательные элементы.
Таблица 2 Устройства с аналоговым выходом
УстройствоКоличество устройств
в схемеВыходной сигналРадиометрический сигнализатор уровня Gammapilot M14-20 мА, HART
Наморомер мембранный НМП-52-М224-20 мАПреобразователь Метран 100ДД24-20 мА, HARTДатчик разряжения
Метран-100Ех-ДВ14-20 мА, HARTТермопреобразователь
ТСМ Метран 203(50М)14-20 мАТермопреобразователь
ТСП Метран 205 (50П)14-20 мАВлагомер поточный "Микрорадар-113А"10-5 мА, 4-20 мАПреобразователь ПНП наличия пламени14-20 мА
Модули аналогового ввода Inline предназначены для подключения стандартных датчиков и приема сигналов тока или напряжения. Модуль имеют следующие особенности:
- высокая точность измерения,
- быстрая регистрация измеренных значений,
- высокая степень подавления помех и синфазной составляющей,
- регистрация измеренных значений с 16-битным разрешением.
Все модули обладают стандартными возможностями клеммных модулей аналогового ввода Inline, такими как, многопроводная система подключения и автоматическое подключение к заземлению при установке на DIN-рейку. Модули Inline могут оснащаются откидными держателями для маркировки. В держатели вставляются маркировочные карточки, соответствующие назначению модуля.
Таким образом контроллер состоит из 5 модулей: одного модуля - IB IL AI 8/SF-PAC и IB IL TEMP 6 RTD HEI 1 DO6-PAC, а также IB IL 24 DO 8-PAC/SN; двух модулей - IB IL AI 2-HART-PAC.
5.Какие-то специальные функции контроллера в системе не нужны.
6.Мощный процессор значительно расширяют коммуникационные возможности контроллера. Память для данных составляет 2,4999561309814 Мбайт, а программное запоминающее устройство - 1 Мбайт, стандартная команда IL. - 85 к. Память для постоянного хранения данных - 8 кбайт (энергонезависимая память)
Так как к ПЛК подключается большое количество устройств, то встроенной памяти не хватает для обработки, архивирования, хранения поступающих данных, поэтому я добавила модуль IBS CF FLASH 64MB (модуль памяти для хранения параметров, вставной, объем: 64 Мбайт. Так же в ПЛК можно реализовать типовые законы регулирования (ПИ, ПИД) путем программирования с помощью PC WorX в соответствии с МЭК 61131.
7.Расположение модулей ввода/вывода в системе как локальные так и дистанционные. Процессор, поддерживающий такие возможности (Ethеrnet -интерфейс). 8.Проектируемая система будет подключаться в другие сети и системы. Поэтому в проектируемой системе нужен Ethеrnet-интерфейс, ведущий интерфейс INTERBUS. В ПЛК ПЛК Inline ILC 350 ЕТН встроенный Ethеrnet-интерфейс, который служит для соединения с другими контроллерами и системами управления. Обмен данными между контроллерами производится с помощью коммуникационных модулей IEC 61131 -5. С помощью коммуникационных модулей TCP/IP производится обмен данными с любыми устройствами и системами, поддерживающими протокол TCP/IP. Кроме того, к удаленной шине INTERBUS может быть подсоединено ответвление для подключения распределенных датчиков и исполнительных элементов. Загрузка и тестирование прикладных программ производится с помощью Ethеrnet или локального программного интерфейса RS-232.
9. Требования к программированию процессора - программирование на любом языке.
Контроллер ILC 350 ЕТН полностью конфигурируется и программируется с помощью PC WorX в соответствии с МЭК 61131.
Таким образом я выбрала ПЛК Inline ILC 350 ЕТН с 6 модулями:
- Модуль аналогового ввода IB IL AI 8/SF-PAC;
- Модуль аналогового ввода с HART протоколом IB IL AI 2-HART-PAC (2 шт.);
- Модуль ввода для термоэлементов IB IL TEMP 6 RTD HEI 1 DO6-PAC;
- Модуль дискретного вывода IB IL 24 DO 8-PAC/SN;
- Модуль памяти IBS CF FLASH 64MB.
2
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1 111
Размер файла
19 266 Кб
Теги
kursach, sushka, orenburgskie, mineraly
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа