Разработка системы управления технологическим процессом сушки в противоточной барабанной сушилке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский Государственный Открытый Университет

Курсовой проект

По предмету: Система управления химико-технологическими процессами

На тему: «Разработка системы управления технологическим процессом сушки в противоточной барабанной сушилке»

Москва 2011 г.

1. Разработка систем управления технологическим процессом

1.1 Краткое описание технологического процесса

Сушка - это процесс удаления влаги из твердого материала, путем ее испарения или тепловой процесс обезвоживания твердых материалов путем испарения влаги и отвода образующихся паров.

Барабанная сушилка применяется для сушки сыпучих, зернистых и мелкокусковых материалов. В сушилках этого типа тепло сушильного агента непосредственно передается высушиваемому материалу во вращающемся сушильном барабане. В качестве сушильного агента используется нагретый воздух.

1.2 Технологические параметры, требующие автоматической стабилизации (построения АСР)

Показатель эффективности - влажность материала, выходящего из сушилки.

Цель управления - поддержание этого параметра на определенном значении, т.е. обеспечение высушивания поступающего влажного твердого материала до заданного влагосодержания при определенной производительности установки по влажному материалу.

Влажность сухого материала определяется, с одной стороны, количеством влаги, поступающей с влажным материалом, а с другой - количеством влаги, удаляемой из него в процессе сушки. Количество влаги, поступающей с влажным материалом, зависит от расхода этого материала и его влажности.

Расход материала определяется производительностью сушилки, которая должна быть постоянной. Поэтому следует идти по пути стабилизации расхода влажного материала, что обеспечивает заданную производительность и устраняет возмущения по данному каналу. Для этой цели устанавливают автоматические дозаторы.

Влажность зависит от технологического режима предыдущих процессов. С изменением этого параметра в объекте будут иметь место сильные возмущающие воздействия.

Поверхность контакта сушильного агента и материала зависит от толщины слоя материала и его гранулометрического состава. Толщина слоя определяется наличием материала в барабане и при постоянных расходе материала и скорости вращения барабана (в практике для вращения используют асинхронные двигатели с постоянным числом оборотов рабочего вала) будет постоянная. Гранулометрический состав определяется ходом предыдущих технологических процессов; с его изменением в объект вносятся возмущения.

Средняя движущая сила определяется движущими силами в начале и в конце процесса. Положение точки А зависит от значений влажности материала и сушильного агента, которые определяются предшествующими процессами. Стабилизировать их сложно; по этим каналам будут поступать возмущения.

Положение точки Б определяется значением влажности материала (задается, исходя из цели управления) и сушильного агента. Величина влажности зависит от расхода сушильного агента, проходящего через сушилку; чем он больше, тем меньше влажность сушильного агента на выходе из сушилки и тем левее располагается точа Б на линии влажности. С изменением расхода сушильного агента в объект могут вноситься действенные регулирующие воздействия.

Положение точек Г и Д определяется положением кривой равновесной влажности. Положение этой кривой зависит от температуры и разрежения в барабане сушилки. Разрежение легко стабилизируется путем изменения расхода сушильного агента, выводимого из сушилки. Температура же определяется всеми начальными параметрами, а также интенсивностью процесса испарения влаги из материала. Стабилизировать ее можно, путем изменения расхода или температуры сушильного агента. Диапазон изменения температуры сушильного агента существенно ограничен, это объясняется требованиями техники безопасности и возможность разложения высушиваемого материала.

Диаграмма щ-ц

щ, %

щн

щк

О 20 40 60 80 ц, %

К - коэффициент массопередачи;

F - поверхность контакта сушильного агента и материала;

?Д - средняя движущая сила;

Д1, Д2 - движущие силы в начале и в конце процесса;

ОВ - кривая равновесной влажности;

щн, щк - влажность материала на входе в сушилку и выходе из нее;

цн, цк -влажность сушильного агента на входе в сушилку и выходе из нее.

Таким образом, все параметры, влияющие на показатель эффективности, стабилизировать невозможно. В частности возмущения будут возникать в результате изменения начальной влажности материала и сушильного агента, гранулометрического состава материала.

В барабане может изменяться распределение материала, а также гидродинамические условия его обтекания сушильном агрегатам. В связи с этим в качестве основного регулируемого параметра целесообразно взять влажность материала на выходе из сушилки (используются влагомеры кондуктометрические, оптические, радиационные, электрометрические, комбинированные), а регулирующие воздействие осуществлять изменение расхода сушильного агента. Если сушильный агент готовится в топке, то регулирующий клапан устанавливают на линии топлива. Соответствие между расходами топлива и воздуха обеспечивается регулятором соотношения.

Температура сушильного агента на входе в барабан должна быть стабилизирована путем изменения расхода вторичного воздуха. Необходимо регулировать также расход влажного материала и разрежение в сушилке изменением расхода отобранного сушильного агента.

При управлении процессом сушки следует контролировать расход топлива, первичного и вторичного воздуха, влажного и сухого материала, температуру сушильного агента на входе в сушилку и на выходе из нее, температуру в сушилке, разрежение в смесительной камере.

При значительном отклонении показателя эффективности от заданного значения, опасном повышении температуры сушильного агента на входе в сушилку и остановке электродвигателя барабана должен быть подан сигнал обслуживающему персоналу. Кроме того, при остановке электродвигателя должна быть прекращена подача материала в сушилку.

Регулирование температуры сушильного агента в сушилке.

При отсутствии надежного прибора для непрерывного измерения влажности материала, а также при больших запаздываний в сушилке в качестве основного регулируемого параметра следует брать температуру сушильного агента в барабане. Датчик регулятора температуры следует ставить на расстоянии 1/3 длины сушилки от места ввода материала, где запаздывание мало и уже испарилась значительная часть влаги. В связи с тем что температура является распределенным параметром, правильнее было бы ввести регулирование по средней температуре по длине сушилки. Однако осуществить многоточечное измерение температуры во вращающем барабане сложно. Более перспективным является использование двухконтурных систем регулирования, где в качестве основного параметра взята температура сушильного агента на выходе из барабана (или влажность его), а в качестве вспомогательного - температура в середине сушилки, вспомогательный - параметр, характеризующий загрузку барабана, например расход влажного материала или ток электродвигателя привода барабана.

В качестве основной регулируемой величины может использоваться и температура материала на входе из сушилки. Однако измерение этого параметра представляет значительные трудности ввиду неравномерности температурного поля в материале, налипания частиц на датчик.

Регулирование противоточных барабанных сушилок.

В противоточных барабанных сушилках для предотвращения разложения материала под действием высоких температур в качестве основной регулированной величины нужно использовать температуру материала на выходе из сушилке и вносить регулирующие воздействия изменением расхода сушильного агента. Температура воздуха на входе в барабан регулируется изменением расхода теплоносителя, подаваемого в воздухоподогреватель, а влажность - изменением расхода рециркулирующего воздуха. Изменение расхода сушильного агента в противоточной сушилке может быть осуществлено и в зависимости от влажности материала на выходе из сушилки, а также от температуры в самом барабане.

1.3 Параметры автоматического контроля, сигнализации и защиты

Для управления процесса сушки предусмотрен центральный пункт управления с которого осуществляется дистанционный пуск агрегатов, контроль за текущими процессами выведены на нормальный технологический режим, корректировка заданий автоматическим регулятором и в случае необходимости - переход с автоматического на ручное управление.

Для достижения цели управления следует регулировать: влажность исходного материала, температуру в сушилке, воздуха на входе в барабан, материала на выходе, разрежение в смесительной камере.

При управлении процессом сушки следует контролировать расход топлива, первичного и вторичного воздуха, влажного и сухого материала, температуру сушильного агента на входе в сушилку и на выходе из нее, температуру в сушилке, разрежение в смесительной камере.

Сигнализации подлежат отклонение показателя эффективности от заданного показателя эффективности от заданного значения, повышение температуры сушильного агента на входе в сушилку, остановка электродвигателя барабана. При остановке электродвигателя барабана должна быть прекращена подача материала в сушилку.

1.4 Спецификация технических средств управления

Наименование по позициям аппарата	Контролируемый, сигнализируемый или регулируемый параметр	№ позиции средств автоматизации	Тип, марка средств автоматизации. Краткая техническая характеристика	Примечание
1	2	3	4	5
	Контроль и регулирование температуры на входе в барабан		Регулирующий клапан в комплекте с электропневмо преобразователем типа 8013 ТКХ Метран - 252	Преобразователь термоэлектрический. Номинальная статическая характеристика - ХА(К). материал защитной арматуры - Ст.12Х18Н10Т. условное давление 2,5 МПа. 0±600°С
	Контроль и регулирование температуры на выходе из барабана		Регулирующий клапан в комплекте с электропневмо преобразователем типа 8013 ТКХ Метран - 252	Преобразователь термоэлектрический. Номинальная статическая характеристика - ХА(К). материал защитной арматуры - Ст.12Х18Н10Т. условное давление 2,5 МПа. 0±600°С
	Контроль и регулирование влажности на входе в барабан		Первичный преобразователь для измерения влажности материала. Прибор для измерения качества материала. Регулирующий клапан в комплекте с электропневмо преобразователем типа 8013	Преобразователь термоэлектрический. Номинальная статическая характеристика - ХА(К). материал защитной арматуры - Ст.12Х18Н10Т. условное давление 2,5 МПа. 0±600°С
Наименование по позициям аппарата	Контролируемый, сигнализируемый или регулируемый параметр	№ позиции средств автоматизации	Тип, марка средств автоматизации. Краткая техническая характеристика	Примечание
	Контроль и регулирование давления		Измерительный преобразователь давления электрический. Погрешность измерения 0,2%	0-40 бар(0-4МПа)

2. Расчетная часть

2.1 Структурная схема автоматической системы регулирования

z(t) - возмущающее воздействия;

yT(t) - текущее значение регулируемого параметра;

y(t) - относительное отклонение регулируемого параметра;

x(t) - относительное изменение регулирующего воздействия;

u(t) - заданное значение параметра;

Wоб(р) - передаточная функция объекта регулирования;

Wд(р) - передаточная функция датчика;

Wр(р) - передаточная функция автоматического регулятора;

Wиу(р) - передаточная функция исполнительного устройства.

технологический автоматический процесс сушка

2.2 Кривая разгона объекта регулирования с заданными коэффициентами характеристики

Коб = 2,2; Тоб = 5,1 Объект одноемкостной статический.

Кривая разгона определяет закон изменения выходной величины y(t) при ступенчатом входном воздействии x(t) = 1(t), при нулевом значении x(0) = 0

При t 0 дифференциальное уравнение, связывающее выходную и входную величины:

Тоб · dy(t) / dt + y(t) = Коб · x(t)

Характеристическое уравнение, соответствующее этому дифференциальному уравнению:

Тр + 1 = 0 имеет один корень р = -1 / Т

Общее решение дифференциального уравнения является суммой переходной и вынужденной составляющей: y(t) = Коб · x(t) + с · e-t/Тоб

Постоянную интегрирования определяем при t = 0 и x(0) = 0

0 = Коб · x(t) + c, откуда с = - Коб · x(t)

Аналитическое выражение для кривой разгона рассматриваемого объекта регулирования:

y(t)= Коб · x(t) · (1 - e-t/Тоб) = 2,2 · 1(t) ·(1 - e-t/5,1)

По этому выражению строим кривую разгона объекта регулирования.

t	0	5,1	10	15	20	25	30	40	t > ?
y(t)	0								y>2,2

2.3 Кривая разгона регулятора, при заданных параметрах настройки

Передаточная функция замкнутой системы автоматического регулировании:

Wзс(р) = ;

После подстановки общих выражений заданных передаточных функций элементов системы, имеем:

Wзс(р) = =

==

= =

= = Wзс(р)

2.3.1 Определение параметров настройки ПИ-регулятора

Коэффициента усиления Кр, время интегрирования Ти по заданным параметрам диаграммы Вышнеградского А = 1,36 и В = 3,7.

Тоб = 5,1Тип = 2,5Киу = 0,3

Коб = 2,2Кип = 2,5

А = 1,36Тд = Тип

В = 3,7Т1 = 0 Т2 = Тоб

К = 1

в0 = Коб · Тип = 2,2 · 2,5 = 5,5

в1 = Коб = 2,2

а0 = Тоб · Тип = 5,1 · 2,5 = 12,75

а1 = Тоб + Т · К = 5,1 + 2,5 · 1 = 7,6

а2 = Коб · Кип · Киу · Кр + К = 2,2 · 2,5 · 0,3 · 2,46 + 1 = 5,01

а3 = Коб · Кип · Киу · S0 = 2,2 · 2,5 · 0,3 · 0,415 = 0,68

Кобщ = Коб · Кип · Киу = 2,2 · 2,5 · 0,3 = 1,65

Характеристическое уравнение передаточной функции:

а0 · р3 + а1 · р2 + а2 · р + а3 = 0

А = В =

S0 = =

Ти = =

Кр = =

2.3.2 Переходная характеристика (кривая разгона) ПИ-регулятора

С заданными параметрами настройки Кр = и Ти =

x(t) = Кр · y(t) +

при y(t) = 1(t)

x(y) = Кр · 1 +

x(t) = Кр + · t =

Кривую разгона строим по двум точкам

t = 0x(t) = Кр =

t = Ти = x(t) = Кр + 1 =

2.3.3 Передаточные функции элементов АСР

Wоб(р) = =

Wд(р) = =

Wр(р) = Кр + =

Wиу(р) = Киу = 0,3

2.3.4 Передаточная функция замкнутой АСР

Wзс(р) = =

2.3.5 Определение параметров настройки ПИ-регулятора

Коэффициента усиления Кр, время интегрирования Ти по заданным параметрам диаграммы Вышнеградского А = 1,36 и В = 1,5.

Тоб = 5,1Тип = 2,5Киу = 0,3

Коб = 2,2Кип = 2,5

А = 1,36Тд = Тип

В = 1,5Т1 = 0 Т2 = Тоб

К = 1; в0 = Коб · Тип = 2,2 · 2,5 = 5,5

в1 = Коб = 2,2

а0 = Тоб · Тип = 5,1 · 2,5 = 12,75

а1 = Тоб + Т · К = 5,1 + 2,5 · 1 = 7,6

а2 = Коб · Кип · Киу · Кр + К = 2,2 · 2,5 · 0,3 ·

а3 = Коб · Кип · Киу · S0 = 2,2 · 2,5 · 0,3 ·

Кобщ = Коб · Кип · Киу = 2,2 · 2,5 · 0,3 = 1,65

Характеристическое уравнение передаточной функции:

а0 · р3 + а1 · р2 + а2 · р + а3 = 0

А = В =

S0 = = Ти = = Кр = =

2.3.6 Переходная характеристика (кривая разгона) ПИ-регулятора

С заданными параметрами настройки Кр = и Ти =

x(t) = Кр + · t =

Кривую разгона строим по двум точкам

t = 0x(t) = Кр =

t = Ти = x(t) = Кр + 1 =

2.3.7 Передаточные функции элементов АСР

Wоб(р) = =

Wд(р) = =

Wр(р) = Кр + =

Wиу(р) = Киу = 0,3

2.3.8 Передаточная функция замкнутой АСР

Wзс(р) = =

Согласно обратному преобразованию Лапласа (см. таблицу простейших функций)

y(t) = в · + с · · cost + · sint + =

= в · + · (с · сost + · sint)

Значение регулируемого параметра в переходном процессе 1 шаг (1с.) 1 вариант.

S1 = 4,886 ; Т5 = 1,537 ; Р1 = -0,129 ; Р2 = -0,233 ; Р3 = 0,772

0	0,354	0,479	0,390	0,201
0,037	-0,039	-0,026	0,030	0,082
0,101	0,088	0,057	0,029	0,013
0,011	0,017	0,024	0,026	0,023
0,018	0,012	0,008	0,007	0,007
0,008	0,008	0,007	0,006	0,004
0,004	0,003	0,003	0,003	0,002
0,002	0,002	0,002	0,001	0,001

Значение регулируемого параметра в переходном процессе 1 шаг (1с.) 2 вариант.

S1 = 1,621 ; Т5 = 1,537 ; Р1 = -0,401 ; Р2 = -0,098 ; Р3 = 0,448

0	0,378	0,618	0,700	0,635
0,463	0,235	0,003	-0,189	-0,311
0,353	0,322	-0,236	-0,121	-0,003
0,094	0,156	0,178	0,163	0,120
0,062	0,003	-0,047	-0,078	-0,090
0,082	0,061	-0,032	-0,002	0,023
0,039	0,045	0,042	0,031	0,016
0,001	0,011	-0,020	-0,023	-0,021

Переходный процесс колебательный

Показатели качества:

Динамическая ошибка: График 1 зеленый удин = уmax - u u = 0

удин = 0.393 - 0 = 0,393

График 2 красныйудин = 0,528 - 0 = 0,528

Статистическая ошибка: Статистической ошибки нет, т.к. у меня ПИ-регулятор (благодаря интегр. составл.).

Время регулирования: График 1 - 27с. График 2 - 39с.

Коэффициент перерегулирования:

ц = %

График 1: ц = % = 10,7%

График 2: ц = % = 61,2%

Сведем данные в таблицу:

№	удин	уст	Тр	ц
1
2

По данным таблицы видно, что регулирование процесса автоматизации с коэффициентом Вышнеградского В = 2,1 целесообразней.

1. Условные обозначения измерительных величин

Температура T

Давление, разряжение P

Расход F

Уровень L

Состав смеси, концентрация Q

Плотность D

Влажность M

Вязкость V

Радиоактивность R

Любая электрическая величина E

Размер, положение, перемещение G

Ручное воздействие H

Время, временная программа K

Несколько разнородных измер. величин U

2. Условные обозначения функц. признаков и регулят. приборов

Показании I

Регистр. R

Регулирование, управление C

Включ., отключ., переключ. S

Сигнализация A

Верхний предел измерит. величины H

Нижний предел измерит. Величины L

3. Дополнительные

Перв. измер. преобразователь, чувств. эт-т E

Промежут. измерит преобразователь, перед измерю преобр.,

дистанц. передача сигнала T

Станция управления K

Преобразователь сигналов, вычислит. устр-во Y

4. Уточняющее значение

Разность, перепад D,d

Соотношение, доля, дробь F,f

Атоматич. переключение, обегание I

Интегрирование Q,q

Список использованной литературы

1. Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. «Автоматизация химических производств».

2. Шувалов В.В. «Автоматизация производственных процессов - 2 издание М., Химия, 1985».

3. Голубятникова З.Л., Александров И.А. «Автоматика, автоматизация и АСУТП».

4. Буртоликова З.Л., Александров И.А. «Автоматика, автоматизация и АСУТП. Альбом структурно - логических схем к рабочей программе МВЗПИ, 1988».

Размещено на Allbest.ru