Элементы техники проектирования систем автоматизации

5.1.1. Краткие сведения о типовых технологических процессах

Несмотря на большое разнообразие химических производств, между ними есть определенное сходство по содержанию в их составе таких типовых технологических процессов:

1. Гидромеханических (перемещение жидкостей и газов; смешение жидкостей; отстаивание жидких систем, центрифугирование жидких систем; фильтрование жидких систем; фильтрование газовых систем; мокрая очистка газов; электрическая очистка газов);

2. Тепловых (нагревание и охлаждение жидкостей; искусственное охлаждение; выпаривание ;кристаллизация);

3. Массообменных (ректификация, абсорбция, адсорбция, сушка);

4. Механических (перемещение твердых материалов; дозирование твердых материалов; измельчение твердых материалов).

Наличие типовых технологических процессов предопределяет наличие типовых систем автоматического контроля, регулирования и управления в различных химических производствах (систем автоматизации).

5.1.2. Последовательность выбора системы автоматизации

Общая задача управления технологическимпроцессом формулируется обычно как задача максимизации (минимизации) некоторого критерия (себестоимости, энергозатрат, прибыли) при выполнении ограничений на технологические параметры, накладываемых регламентом. решение такой задачи для всего процесса в целом очень трудоемко, а иногда практически невозможно ввиду большого числа факторов, влияющих на ход процесса. Поэтому весь процесс разбивают на отдельные участки, которые характеризуются сравнительно небольшим числом переменных. Обычно эти участки совпадают с законченными технологическими стадиями, для которых могут быть сформулированы свои подзадачи управления, подчиненные общей задаче управления процессом в целом.

Задачи управления отдельными стадиями обычно направлены на оптимизацию (в частном случае, стабилизацию) технологического параметра или критерия, легко вычисляемого по измеренным режимным параметрам (производительность, концентрация продукта, степень превращения, расход энергии).

Оптимизацию критерия проводят в рамках ограничений, задаваемых технологическим регламентом. На основании задачи оптимального управления отдельными стадиями процесса формируют задачи автоматического регулирования технологическими параметрами для отдельных аппаратов.

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

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

Контролируемые возмущения.К ним условно относят те возмущения которые можно измерить, но невозможно или не допустимо стабилизировать (расход питания, подаваемого непосредственно из предыдущего аппарата; температура окружающей среды и т.п.). Наличие существенных нестабилизируемых возмущений требует применения либо замкнутых по основному показателю процесса систем регулирования, либо комбинированных АСР, в которых качество регулирования повышается введением динамической компенсации возмущения.

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

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

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

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

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

Однако при неблагоприятных динамических характеристиках каналов регулирования (большом чистым запаздывании, большом отношении τ/T) даже в случае оптимальных, настроек регуляторов качество переходных процессов в одноконтурных АСР может оказаться неудовлетворительным. Для таких объектов анализируют возможность рассмотрение многоконтурных АСР, в которых качество регулирования можно повысить, усложняя схемы автоматизации, т.е. применяя каскадные, комбинированные, взаимосвязанные АСР.

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

5.1.3. Выбор регуляторов и параметров их настройки [47]

При разработке АСР выбирают один или несколько показаний эффективности процесса устанавливают необходимые ограничение, находят статические и динамические характеристики объекта регулирования. анализ статических характеристик позволяет оценить степень влияния одних величин на другие и выявить те регулируемые величины, которые оказывают максимальное воздействия на процесс. Если в объекте имеются несколько независимых величин, их регулируют раздельно, вводя соответствующие контуры регулирования. в объектах с зависимыми регулируемыми величинами используются контуры регулирования, в которых учитывается степень воздействия управляющих сигналов на регулируемые величины.

По динамическим характеристикам объекта выбирают такие точки приложения управляющих воздействий, которые обеспечивают наибольшую скорость изменения регулируемых величин. Например, состав дистиллята на выходе ректификационной колонны обычно регулируют по температуре жидкости на контрольной тарелки в управляющей части. На эту температуру можно влиять, изменяя расход либо флегмы, либо греющего пара. Однако на практике состав дистиллята регулируют изменением расхода флегмы, т.к. оно в большой степени влияет на температуру верха колонны.

выбор типа регулятора. Канал регулирования выбирают так, чтобы изменение регулирующего воздействия х_в (поток вещества или энергии, подаваемый в объект или выводимый из него) максимально изменяло регулируемую величину х_вых, т.е. чтобы был максимальный коэффициент усиления (коэффициент передачи).

К качеству регулирования каждого конкретного технологического процесса предъявляются конкретные требования: а) в одних случаях оптимальным или заданным может служить процесс с минимальным значением динамической ошибки регулирования; б) в других – минимальное значение времени регулирования.

По этому в качестве заданного принимают один из трех типовых переходных процессов: а) граничный апериодический с минимальным временем регулирования; б) с 20%-ным перерегулированием; в) с минимальной квадратической площадью отклонения: min∫x²dt .

Переходный процесс в АСР зависит от свойств химико- технологического объекта, от характера и величины возмущающих воздействий, а также от типа регулятора (закона регулирования) и параметров настройки его.

Свойства простых объектов могут быть определены на основе математического описания или экспериментально по кривым изменениям выходных величин объекта во времени при типовых возмущениях.

Свойства сложных объектов на практике часто заменяют объектами 1-го порядка с запаздыванием.

В зависимости от отношения времени запаздывания и постоянной времени объекта τ /Т₀ рекомендуют следующие типы регуляторов:

позиционное регулирование при τ /Т₀ < 0,2;

регулятор непрерывного действия при 0,2 < τ /Т₀ < 1,0;

многоконтурные системы регулирования при τ /Т₀ > 1,0.

При выборе типа регулятора учитывают:

1. Свойства химико-технологического объекта;

2. Максимальную величину возмущения;

3. Принятые для данного технологического процесса вид типового переходного процесса;

4. Допустимые значения показателей качества процесса регулирования (динамическая ошибка х_1доп.; статическая статистика х_ст.доп.; время регулирования t_рдоп.).

Выбор регулятора прежде осуществлялся в следующей последовательности. Сначала проверяли сможет ли простейший регулятор (И – регулятор) обеспечить заданное качество регулирования. Если нет, то последовательно переходили к более сложным регуляторам. Выбор заканчивали, когда найден регулятор, обеспечивающий заданное качество регулирования.

Затем находят параметры настройки этого регулятора. Компактность и многофункциональность современных микропроцессорных регулирующих контроллеров (Р-110, Р-130, КР-300 и др.), позволяют заменить до 16 и более традиционных аналоговых регуляторов, как правило, с настройкой на ПИД – закон регулирования.

Время регулирования t_p определяется из отношения t_p /τ, при котором в системе обеспечивается протекание заданного типового переходного процесса. это отношение определяется по специальным графикам t_p /τ=f (τ /Т₀).

определение параметров настройки регулятора [47]. Для устойчивых объектов по графикам в зависимости от τ /Т₀ (ось абсцисс) находят значения настроечных параметров К_р, Т_и, Т_Д (ось ординат).

5.1.4. Элементы техники проектирования схем автоматизации

Функциональная схема автоматизации является основным техническим документом проекта автоматизации, определяющим структуру системы управления технологическим процессам, а также оснащение его средствами автоматизации. Схема дает представление об объекте управления. Поэтому на функциональной схеме даются изображения технологических аппаратов (колонн, теплообменников и т.д.), машин (насосов, компрессоров и т.п.) трубопроводов, автоматических устройств и показываются связи между ними.