Проектирование системы автоматизации абсорбции углекислого газа в производстве аммиака

Для контроля температуры в объекте регулирования служит термосопротивление ТС, включенное в одно из плеч измерительного моста 2. Величины сопротивлений моста подбираются таким образом, чтобы при заданной температуре мост был уравновешен, то есть напряжение в диагонали моста равнялось нулю. При повышении температуры поляризованное реле 3, включенное в диагональ измерительного моста, включает одну из обмоток 4 электродвигателя постоянного тока, который с помощью редуктора 6 закрывает воздушный клапан перед калорифером 7. При понижении температуры воздушный клапан полностью открывается.
При двухпозиционном регулировании температуры количество подаваемого тепла может устанавливаться только на двух уровнях - максимальном и минимальном. Максимальное количество тепла должно быть больше необходимого для поддержания заданной регулируемой температуры, а минимальное - меньше. В этом случае температура воздуха колеблется около заданного значения, то есть устанавливается так называемый автоколебательный режим (рисунок 4, а).
Линии, соответствующие температурам τн и τв, определяют нижнюю и верхнюю границы зоны нечувствительности. Когда температура регулируемого объекта, уменьшаясь, достигает значения τн количество подаваемого тепла мгновенно увеличивается и температура объекта начинает возрастать. Достигнув значения τв, регулятор уменьшает подачу тепла, и температура понижается.

Рисунок 4 - Временная характеристика двухпозиционного регулирования (а) и статическая характеристика двухпозиционного регулятора (б).
Скорость повышения и понижения температуры зависит от свойств объекта регулирования и от его временной характеристики (кривой разгона). Колебания температуры не выходят за границы зоны нечувствительности, если изменения подачи тепла сразу вызывают изменения температуры, то есть если отсутствует запаздывание регулируемого объекта.
С уменьшением зоны нечувствительности амплитуда колебаний температуры уменьшается вплоть до нуля при τн = τв. Однако для этого требуется, чтобы подача тепла изменялась с бесконечно большой частотой, что практически осуществить чрезвычайно трудно. Во всех реальных объектах регулирования имеется запаздывание. Процесс регулирования в них протекает примерно так.
При понижении температуры объекта регулирования до значения τн мгновенно изменяется подача тепла, однако из-за запаздывания температура некоторое время продолжает снижаться. Затем она повышается до значения τв, при котором мгновенно уменьшается подача тепла. Температура продолжает еще некоторое время повышаться, затем из-за уменьшенной подачи тепла температура понижается, и процесс повторяется вновь.
На рисунке 4, б приведена статическая характеристика двухпозиционного регулятора. Из нее следует, что регулирующее воздействие на объект может принимать только два значения: максимальное и минимальное. В рассмотренном примере максимум соответствует положению, при котором воздушный клапан (см. рис. 2) полностью открыт, минимум - при закрытом клапане.
Знак регулирующего воздействия определяется знаком отклонения регулируемой величины (температуры) от ее заданного значения. Величина регулирующего воздействия постоянна. Все двухпозиционные регуляторы обладают гистерезисной зоной α, которая возникает из-за разности токов срабатывания и отпускания электромагнитного реле.
Пропорциональные (статические) регуляторы температуры
В тех случаях, когда необходима высокая точность регулирования или когда недопустим автоколебательный процесс, применяют регуляторы с непрерывным процессом регулирования. К ним относятся пропорциональные регуляторы (П-регуляторы), пригодные для регулирования самых разнообразных технологических процессов.
В тех случаях, когда необходима высокая точность регулирования или когда недопустим автоколебательный процесс, применяют регуляторы с непрерывным процессом регулирования. К ним относятся пропорциональные регуляторы (П-регуляторы), пригодные для регулирования самых разнообразных технологических процессов.
В системах автоматического регулирования с П-регуляторами положение регулирующего органа (у) прямо пропорционально значению регулируемого параметра (х):
y=k1х,
где k1 - коэффициент пропорциональности (коэффициент усиления регулятора).
Эта пропорциональность имеет место, пока регулирующий орган не достигнет своих крайних положений (конечных выключателей).
Скорость перемещения регулирующего органа прямо пропорциональна скорости изменения регулируемого параметра.
На рисунке 5 показана принципиальная схема системы автоматического регулирования температуры воздуха в помещении при помощи пропорционального регулятора. Температура в помещении измеряется термометром сопротивления ТС, включенным в схему измерительного моста 1.

Рисунок 5 - Схема пропорционального регулирования температуры воздуха: 1 - измерительный мост, 2 - объект регулирования, 3 - теплообменник, 4 - конденсаторный двигатель, 5 - фазочувствительный усилитель.
При заданной температуре мост уравновешен. При отклонении регулируемой температуры от заданного значения в диагонали моста возникает напряжение разбаланса, величина и знак которого зависят от величины и знака отклонения температуры. Это напряжение усиливается фазочувствительным усилителем 5, на выходе которого включена обмотка двухфазного конденсаторного двигателя 4 исполнительного механизма.
Исполнительный механизм перемещает регулирующий орган, изменяя поступление теплоносителя в теплообменник 3. Одновременно с перемещением регулирующего органа происходит изменение сопротивления одного из плеч измерительного моста, в результате этого изменяется температура, при которой уравновешивается мост.
Таким образом, каждому положению регулирующего органа из-за жесткой обратной связи соответствует свое равновесное значение регулируемой температуры.
Для пропорционального (статического) регулятора характерна остаточная неравномерность регулирования.
В случае скачкообразного отклонения нагрузки от заданного значения (в момент t1) регулируемый параметр придет по истечении некоторого отрезка времени (момент t2) к новому установившемуся значению (рисунок 6). Однако это возможно только при новом положении регулирующего органа, то есть при новом значении регулируемого параметра, отличающегося от заданного на величину δ.

Рисунок 6 - Временные характеристики пропорционального регулирования
Недостаток пропорциональных регуляторов состоит в том, что каждому значению параметра соответствует только одно определенное положение регулирующего органа. Для поддержания заданного значения параметра (температуры) при изменении нагрузки (расхода тепла) необходимо, чтобы регулирующий орган занял другое положение, соответствующее новому значению нагрузки. В пропорциональном регуляторе этого не происходит, вследствие чего возникает остаточное отклонение регулируемого параметра.
Интегральные (астатические регуляторы)
Интегральными (астатическими) называются такие регуляторы, в которых при отклонении параметра от заданного значения регулирующий орган перемещается более или менее медленно и все время в одном направлении (в пределах рабочего хода) до тех пор, пока параметр снова не примет заданного значения. Направление хода регулирующего органа изменяется лишь тогда, когда параметр переходит через заданное значение.
В интегральных регуляторах электрического действия обычно искусственно создается зона нечувствительности, в пределах которой изменение параметра не вызывает перемещений регулирующего органа.
Скорость перемещения регулирующего органа в интегральном регуляторе может быть постоянной и переменной. Особенностью интегрального регулятора является отсутствие пропорциональной связи между установившимися значениями регулируемого параметра и положением регулирующего органа.
На рисунке 7 приведена принципиальная схема системы автоматического регулирования температуры при помощи интегрального регулятора. В ней, в отличие от схемы пропорционального регулирования температуры (см. рисунок 5), нет жесткой обратной связи.

Рисунок 7. Схема интегрального регулирования температуры воздуха
В интегральном регуляторе скорость регулирующего органа прямо пропорциональна величине отклонения регулируемого параметра.
Процесс интегрального регулирования температуры при скачкообразном изменении нагрузки (расхода тепла) отображен на рисунке 8 с помощью временных характеристик. Как видно из графика, регулируемый параметр при интегральном регулировании медленно возвращается к заданному значению.

Рисунок 8 - Временные характеристики интегрального регулирования
Программные системы автоматического регулирования температуры
Для осуществления программного регулирования необходимо непрерывно воздействовать на настройку (уставку) регулятора так, чтобы регулируемая величина изменялась по заранее заданному закону. С этой целью узел настройки регулятора снабжается программным элементом. Это устройство, служащее для установления закона изменения задаваемой величины.

3.2. Выбор современных технических средств автоматизации

После проведенного анализа рынка компонентов систем автоматики для создания автоматизированной системы управления установки метанирования были выбраны средства автоматизации ОВЕН. Основу блока управления составляет контроллер ОВЕН ПЛК63, обладающий широкими возможностями программирования и привлекательной ценой. Наличие дисплея, интегрированного в корпус ПЛК, также сыграло немалую роль при выборе данного контроллера.
Применение ПЛК63 позволяет увеличивать производительность установки и при необходимости интегрировать блок управления в АСУ верхнего уровня. Кроме ПЛК63 в системе управления используются следующие компоненты ОВЕН:
ПМ01 – GSM-модем для удаленного контроля;
МСД100 – модуль сбора данных для архивации;
ДТС055 – датчики температуры;
Датчики уровня поплавковые ПДУ;
Датчики (преобразователи) давления общепромышленные ПД100-ДИ.
На основе поступивших сигналов от датчиков ПЛК63 формирует управляющие сигналы на исполнительные механизмы (насосы, ТЭНы). Температура измеряется с помощью термосопротивления ДТС055. Датчики ОВЕН ПД100 моделей 111, 171, 181 представляют собой преобразователи давления с измерительной мембраной из нержавеющей стали AISI 316L, сенсором на основе технологии КНК и кабельным вводом стандарта EN175301-803 (DIN43650 А).
С помощью ТЭНов осуществляется нагрев до требуемой температуры. Осевые вентиляторы обеспечивают необходимый воздушный нагрев.
С целью исключения переполнения реактора установлен датчик, контролирующий максимальный уровень, при срабатывании которого выдается сигнал аварии. Датчик уровня представляет собой поплавковый дискретный датчик, срабатывающие при достижении необходимого уровня во влагоотделителе.
Архивацию данных, необходимых для анализа процесса брожения и контроля, осуществляет МСД100. GSM-модем производит удаленный контроль работы установки метанирования и оповещает обслуживающий персонал в случае аварийных и нештатных ситуаций. Все приборы связаны между собой по интерфейсу RS-485.






4 Разработка принципиальной электрической схемы

Разработка схемы электрической принципиальной установки метанирования произведена на основании функциональной схемы и выбранных компонентов автоматизации.
В центре схемы автоматизации – программируемый логический контроллер ПЛК, обеспечивающий связь компонентов между собой.
Схема приведена в графической части проекта.
5. Выбор и расчёт регулирующего органа для регулирования расхода

Проведем расчеты выбранного объекта, регулирование расхода воды на входе в подогреватель. Схема объекта разрабатывалась в инструментальной среде моделирования SIMULINK пакета MATLAB.
Расчет будем производить методом одноконтурного регулирования, т.е. методом незатухающих колебаний. Нам нужно найти и выставить определенные настройки, параметры, чтобы система обладала заданным качеством, которое определяется переходным процессом.
Требования к САР: время регулирования – минимальное (70%), а затухание должно происходить максимально быстро. (степень затухания ψ – 0,7 -0,9).

Рисунок 9 - Функциональная схема регулируемого объекта

Рисунок 10 - Структурная схема САР
Расчет производится в два этапа.
На первом этапе необходимо рассчитать критический пропорциональный коэффициент САР Скр и её критическую частоту ωкр, при которой она находится на грани устойчивости.

Рисунок 11 - Структурная схема АСР в SIMULINK
Математическое описание объекта регулирования:
,где
К = 1,75, Х1 = 7,5, Х2 = 5, τ = 2 мин.

Все настройки системы принимаются равными равными нулю:
Со – интегральная,
С1 – пропорциональная,
С2 – дифференциальная.
На следующем этапе увеличиваем настройку С1 до тех пор, пока не начнутся автоколебания САР. Фиксируем результат на рисунке 12.

Рисунок 12 - Автоколебательный процесс системы.
Находим период Т=24 с графическим методом по рисунку автоколебаний.
Определяем оптимальные настройки регулятора.
Воспользуемся формулами для ПИД – регулятора:

Скр определяется экспериментально, подбором, при котором увеличивается С1 =Скр = 8,43.
Отсюда С1 = 5,058, Со = 0,067, С2 = 95,29.

Рисунок 13 - Процесс затухания САР
По рисунку 13 определяем: tмах1 =17, tмах2=30, Амах1=16, Амах2=14,5.
Перерегулирование системы находится по формуле:

Перерегулирование получилось 33,3%, что меньше заданного параметра – 70%.
Степень затухания равна 0,82, что тоже соответствует требованиям ψ = 0,7 – 0,9.
Вывод: Система автоматического регулирования с полученными параметрами работоспособна.



Заключение

В настоящей работе рассмотрены вопросы проектирования системы автоматизации абсорбции углекислого газа в производстве аммиака на ОАО «Невинномысский Азот». В том числе, спроектирована схема электрическая принципиальная технологического процесса абсорбции с использованием современных средств автоматизации.
Список использованных источников

ПОСТОЯННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РЕГЛАМЕНТ №43 производства синтетического аммиака цеха 1-В ГЦ по ПАУ
Емельянов А.И., Капник О.В. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие / А.С. Клюев и др., под ред. А.С. Клюева, - 2-е изд., перераб и доп. – М.: Энергоавтомиздат, 1990. - 464 с.
К. А. Алексеев, В. С. Антипин и др. Под ред. Клюева: Монтаж средств измерений и автоматизации:. – 3-е изд. – М.: КПКИ Проектмонтажавтоматика, 1988 – 488с.
http://www.owen.ru/catalog/datchiki_urovnya_poplavkovie_pdu/opisanie
http://www.owen.ru/catalog/preobrazovateli_izbitochnogo_davleniya_owen_pd_100_di_div_dv/opisanie
http://www.owen.ru/catalog/programmiruemij_logicheskij_kontroller_oven_plk_100/opisanie