Кристаллизационная установка непрерывного действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 Теоретическая часть

1.1 Краткое описание технологического процесса

Кристаллизационная установка непрерывного действия состоит из: кристаллизатора, холодильника, насоса суспензии и циркуляционного насоса.

Исходный раствор подается в кристаллизатор, где смешивается с маточным раствором и суспензией. Реакционная масса подается в теплообменник циркуляционным насосом для охлаждения. Готовая суспензия насосом выводится из кристаллизатора на следующую стадию технологического процесса.

1.2 Определение и выявление технологических параметров, требующих автоматической стабилизации

Основные принципы управления процессом кристаллизации рассмотрим на примере кристаллизатора с выносным холодильником. Показателем эффективности процесса является размер полученных кристаллов.

Для обеспечения текучести и неслеживаемости кристаллических веществ необходимо получать кристаллы одинакового размера, что и является целью управления. Размер кристаллов определяется, с одной стороны, условиями, при которых проводится процесс (температурой в аппарате, интенсивностью охлаждения и перемешивания раствора), а с другой - свойствами поступающего на кристаллизацию раствора (степенью насыщения твердой фазой, т.е. начальной концентрацией, а также температурой, содержанием примесей и т.д.).

Все возмущающие воздействия ликвидировать обычно не удается, прохождение их в объект приводит к изменению режимных параметров и, в конечном счете, к изменению показателем эффективности (ПЭ). Поэтому желательно стабилизировать (регулировать) входные, режимные параметры.

В качестве регулируемой величины следовало бы взять размеры кристаллов. Однако пока отсутствуют датчики как непосредственного, так и косвенного измерения размеров, кристаллов, поэтому ограничиваются стабилизацией температуры в аппарате. Также концентрация кристаллов в суспензии определяется по плотности суспензии путем изменения расхода исходной смеси.

Стабилизация указанных параметров, как правило, обеспечивает заданные размеры кристаллов.

Постоянство температуры в кристаллизаторе обеспечиваются регулированием расхода хладоносителя.

Стабилизация расхода раствора обеспечивает постоянство интенсивности охлаждения раствора при постоянной температуре в аппарате.

Интенсивность перемешивания раствора в кристаллизаторе при использовании насоса с постоянными характеристиками можно считать постоянной.

Стабилизация уровня в кристаллизаторе с изменением расхода суспензии обеспечивает поддержание материального баланса.

Маточный раствор выводится из аппарата за счет перелива и поэтому его расход не регулируется.

1.3 Определение параметров автоматического контроля, сигнализации и защиты

После определения регулируемых параметров приступают к выбору контролируемых величин, параметров сигнализации, защиты и блокировки.

При обосновании выбора контролируемых величин необходимо руководствоваться тем, чтобы при минимальном количестве они давали бы наиболее полное представление о процессе. Контролю подлежат, прежде всего, те параметры, знание текущих значений которых облегчают пуск, наладку и внедрение технологического процесса. К таким, в частности, относятся нерегулируемые режимные и входные параметры, при изменении которых в объектах будут поступать возмущающие воздействия.

Для осуществления оперативного управления возникает необходимость контролировать наиболее важные выходные параметры процесса.

В процессе кристаллизации показателем качества является размер полученных кристаллов, а выходным параметром, который косвенно характеризует этот показатель, является плотность суспензии.

Сигнализации подлежат все параметры, изменение которых может привести к аварии или серьезному нарушению технологического режима.

В процессе кристаллизации необходимо сигнализировать плотность суспензии, потому что к отклонению регулируемых величин предъявляются жесткие требования.

Выбор параметров автоматической защиты и мероприятий, предотвращающих аварии, заключается в выборе таких технологических параметров, при недопустимом отклонении которых срабатывают устройство автоматической защиты.

С точки зрения защиты объекты управления можно разделить на простые и сложные. К простым относятся такие, в которых может возникнуть один признак опасности, а для предотвращения аварии достаточно включить или отключить одну или две магистрали. Процесс кристаллизации относится к таким объектам управления. При прекращении подачи исходного раствора прекращается подача хладоносителя в теплообменник.

1.4 Краткое описание комплекса технических средств

Комплексы «Режим» и «Режим-1»

Комплекс «Режим» предназначен для автоматизации непрерывных технологических процессов. Он состоит из установок «Режим-1Д» и двух блоков связи БС-1 и БС-2, обеспечивающих построение систем управления на базе комбинированных пневмоэлектронных средств, с использованием управляющего вычислительного комплекса (УВК).

Информация о состоянии технологического объекта управления (ТОУ) поступает от датчиков с пневматическими выходами или электропневмопреобразователей на входы установки «Режим-1Д», где формируются управляющие воздействия на пневматические исполнительные механизмы. Кроме того, выходные сигналы пневматических датчиков проходят групповое преобразование в токовые сигналы стандартного диапазона (0-5 мА) в блоке связи БС-2 и поступают на входы УВК. Последний в соответствии с заложенным в нем алгоритмом и поступающей от объекта информацией вырабатывает сигналы заданий, которые преобразуются в блоки связи БС-1 в пневматические аналоговые сигналы и коммутируются на задающие входы пневматических регуляторов установки «Режим-1Д» или непосредственно к исполнительным механизмам.

Комплекс «Режим» выполняет типовые функции систем централизованного контроля и управления и в первую очередь те из них, которые реализовались комплексом «Центр».

В то же время использование комплекса позволяет автоматически стабилизировать параметры на уровнях, задаваемых программными или другими внешними устройствами (например, блоками соотношения), а также формируемых управляющими вычислительными комплексами (супервизорный режим).

Сигналы II от датчиков регулируемых параметров поступают на входы ПИ-регуляторов ПР3.31, субблоков сигнализации технологической (ССТ) и коммутатора К1. С коммутаторов К3 на входы задания регуляторов подаются сигналы номинальных значений (Н). В зависимости от режима управления, заданного для каждого параметра своим переключателем А-Р-Пр-М («автомат - ручное - программа - машина»), через соответствующий коммутатор К3 на вход регулятора ПР3.31 проходит сигнал от установленного на пульте ПКУ задатчика номинал 3Н (режим «автомат»), внешнего программного задатчика НПР (режим «программа») или от УВК (режим «машина»).

Регулятор ПР3.31 стабилизирует при этом контролируемый параметр на уровне, формируемом одним из задающих устройств; выходной сигнал регулятора ПР3.31 коммутируется к исполнительному механизму. Для перевода контура регулирования в ручной режим оператор устанавливает переключатель А-Р-Пр-М в положение Р; при этом регулятор ПР3.31 отключается сигналом ОС, а коммутатор К2 открывается, коммутируя выходной сигнал задатчика дистанционного (ручного) управления к исполнительному механизму (ИМ).

С помощью соответствующей клеммы вызова (В) оператор, может вызвать на многошкальный показывающий прибор ППМ-20П значение любого параметра, а также для регулируемых контуров значение номинала и сигналов с выходов регулятора (ИМ) и задатчика дистанционного управления (ДУ). Одновременно с вызовом с помощью группы элементов «ИЛИ» в приборе ППМ-20П выбирается соответствующая вызванному параметру абсолютная (физическая) шкала. Нажатием одной из кнопок К_УВК или К_ПР вместо сигнала с выхода задатчика ЗН оператор может подключить к коллектору номинала сигнал задания от УВК НУВК или сигнал от программного задатчика Н_ПР, что необходимо, например, для обеспечения безударного перехода с режимом «УВК» или «программа» в режим «автомат». Субблоки сигнализации технологической (ССТ) включают мигающим светом табло технологической сигнализации (ТТ) при отклонении регулируемых параметров - за допустимую зону, задаваемую относительно их номиналов. Субблоки сигнализации аварийной (ССА) включают мигающим светом табло аварийной сигнализации (ТА) при отклонении любого параметра из группы III (в которую могут входить и регулируемые параметры) за заданные предельные границы.

Мигание может быть снято нажатием кнопки квитирования сигнализации (КС). Параметры из группы П2 регистрируются непрерывно, а параметры из группы П3 регистрируются по вызову с помощью коммутатора К4, управляемого сигнала движкового переключателя (ДП). Регистрация осуществляется трехстрелочными приборами типа ПВ4.4Э системы «СТАРТ».

Электрические сигналы на их включение подводятся от внешних источников (например, электроконтактных мономеров) либо от субблоков сигнализации аварийной, расположенных в самой установке. Поворотная рама предназначена для размещения функциональных модулей и коллекторов пневматического питания.

Табло технологической сигнализации являются одноуровневыми - они включаются белым мигающим светом при отклонении параметра за заданные относительно номинала границы и горят ровным светом после квитирования. Табло аварийной сигнализации являются двухуровневыми; они загораются красным светом при отклонении параметров за верхнюю аварийную границу и зеленым - за нижнюю аварийную границу. Табло аварийной сигнализации могут использоваться для сигнализации отклонений как регулируемых, так и нерегулируемых параметров. Под табло аварийной сигнализации размещается многошкальный показывающий прибор типа ППМ-20П. Слева и справа от табло и прибора находятся трехзаписных прибора типа ПВ4.4Э: три из них обеспечивают непрерывную регистрацию важнейших технологических параметров, четвертый осуществляет регистрацию трех вспомогательных параметров по вызову оператора.

Под вторичными регистрирующими и показывающими приборами размещается мозаичная мнемосхема технологического процесса, под которой расположен пульт, предназначенный для размещения кнопок проверки и квитирования сигнализации, движковых переключателей (служащих для вызова параметров на регистрацию), кнопок проверки приборов ППМ-20П и т.п. Под пультом расположены дверцы, за которыми размещаются автоматические регуляторы ПР3.31.

В нижней части стойки (1) размещаются входные пневматические колодки, в верхней - входные электрические колодки.

Субблоки расположены на поворотной раме, которая может открываться на 900. Элементной базой субблоков являются пневматические элементы УСЭППА и электрические реле типа РЭС22. Внешний вид мнемосхемы установки показан на. Она представляет собой стилизованное изображение технологической схемы процесса со встроенными органами контроля и управления.

Блок связи БС-Ц15 предназначен для преобразования время импульсных сигналов в пневматические аналоговые сигналы стандартного диапазона, формируемых в УВК в качестве заданий для регуляторов, которые работают в супервизорном режиме управления. Блок связи содержит дистанционно управляемые моторные задатчики (ДУЗ); каждый из них конструктивно выполнен в виде электрического реверсивного двигателя типа РД-09 и кинематически связанного с ним пневматического задатчика. На управляющие входы ДУЗ поступают от УВК сигналы типа «больше» (б) или «меньше» (м); они вызывают вращение электродвигателя в ту или другую сторону и соответствующее изменение выходного сигнала пневматического задатчика.

Для реализации обратной связи УВК через субблок дискретных электропневмопреобразователей (ЭП) выдает команды вызова, управляющие коммутатором К.

Через коммутатор К выходные сигналы ДУЭ подаются в пневмоэлектропреобразователь обратной связи (ПЭ_ОС), где преобразуются в токовые сигналы.

1.5 Обоснование выбора средств для измерения параметров

Автоматизация химической промышленности развивается на основе использования пневматических средств. Преимуществом пневматических приборов являются их относительная дешевизна и большая надежность по сравнению с электронными при прочих равных условиях, а также взрыво- и пожаробезопасность. Недостатком пневматических средств является большое запаздывание сигналов, что приводит к ухудшению качества регулирования и показаний. Поэтому целесообразнее применять пневматические средства автоматизации на предприятиях, занимающих небольшую территорию, где между приборами, установленными непосредственно на технологическом оборудовании, и приборами, расположенными на щитах в диспетчерской, сравнительно небольшие расстояния (не более 300 м).

Комплекс технических средств «Режим 1» работает с пневматическими выходными сигналами.

При использовании датчиков системы ГСП, имеющих унифицированные выходные сигналы (в химической промышленности чаще всего используются пневматические), вторичные приборы и регуляторы подключаются непосредственно к датчикам. Если датчики имеют неунифицированный выход, то необходима установка соответствующих преобразователей.

Для контроля температуры хладоносителя на входе и на выходе, исходного раствора на входе в аппарат необходимо использовать термометр сопротивления с медным электродом, так как температура в системе не более 50⁰С. Он будет использован в комплекте с мостом, имеющим 3 канала измерения, так как уравновешиваются показания температур из трех трубопроводов.

Для контроля и регулирования уровня в кристаллизаторе можно использовать буйковый уровнемер с пневматическим выходным сигналом, потому что есть четкая граница раздела фаз и система работает с унифицированными пневматическими сигналами.

Для контроля плотности используется датчик плотности с пневматическим выходным сигналом.

Выбор типа регулирующих органов (НЗ и НО) обосновывается необходимостью предотвращения опасной или аварийной ситуации при прекращении подачи воздуха в линиях питания регулирующих приборов.

Следует обратить внимание на тип входных и выходных сигналов, прием и выдачу которых обеспечивают средства ввода - вывода КТС. Если измерительные преобразователи имеют другие выходные сигналы, следует предусмотреть соответствующие преобразователи: нормирующие или преобразователи одного вида энергии в другой. Если устанавливаются регулирующие органы с пневматическими исполнительными механизмами, а управляющие сигналы с АСУТП электрические, следует предусмотреть электропневмопреобразователи.

2. Расчетная часть

2.1 Кривая разгона объекта регулирования с заданными коэффициентами характеристики

Коб = 1,5; Тоб = 10,6, 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) = 1,5 · 1(t) ·(1 - e^-t/10,6)

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

2.2 Кривая разгона регулятора, при заданных параметрах настройки

Передаточная функция замкнутой системы автоматического регулирования

Wзс(р) = ;

После подстановки общих выражений заданных передаточных функций элементов системы, имеем

Wзс(р) = =

=

= =

= = Wзс(р)

2.2.1 Определение параметров настройки ПИ-регулятора:

Коэффициента усиления Кр, время интегрирования Ти по заданным параметрам диаграммы Вышнеградского А = 1,9 и В = 2,1.

Тоб = 10,6 Тип = 2,5 Киу = 0,3

Коб = 1,5 Кип = 2,5

А = 1,9 Тд = Тип

В = 2,1 Т₁ = 0 Т₂ = Тоб

К = 1

в₀ = Коб · Тип = 1,5 · 2,5 = 3,75

в₁ = Коб = 1,5

а₀ = Тоб · Тип = 10,6 · 2,5 = 26,5

а₁ = Тоб + Тип · К = 10,6 + 2,5 · 1 = 13,1

а₂ = Коб · Кип · Киу · Кр + К = 1,5 · 2,5 · 0,3 · 2,46 + 1 = 3,77

а₃ = Коб · Кип · Киу · S₀ = 1,5 · 2,5 · 0,3 · 0,415 = 0,467

Кобщ = Коб · Кип · Киу = 1,5 · 2,5 · 0,3 = 1,125

Характеристическое уравнение передаточной функции

а₀ · р³ + а₁ · р² + а₂ · р + а₃ = 0

А = В =

S₀ = = = 0,415

Ти = = = 2,41

Кр = = = 2,46

2.2.2 Переходная характеристика (кривая разгона) ПИ-регулятора

С заданными параметрами настройки Кр = 2,46 и Ти = 2,41

x(t) = Кр · y(t) +

при y(t) = 1(t)

x(y) = Кр · 1 +

x(t) = Кр + · t = 2,46 +

Кривую разгона строим по двум точкам

t = 0 x(t) = Кр = 2,46

t = Ти = 2,41 x(t) = Кр + 1 = 2,46 + 1 = 3,46

2.2.3 Передаточные функции элементов АСР

Wоб(р) = =

Wд(р) = =

Wр(р) = Кр + = 2,46 +

Wиу(р) = Киу = 0,3

2.2.4 Передаточная функция замкнутой АСР

Wзс(р) = =

2.2.5 Определение параметров настройки ПИ-регулятора:

Коэффициента усиления Кр, время интегрирования Ти по заданным параметрам диаграммы Вышнеградского А = 1,9 и В = 1.

Тоб = 10,6 Тип = 2,5 Киу = 0,3

Коб = 1,5 Кип = 2,5

А = 1,9 Тд = Тип

В = 1 Т₁ = 0 Т₂ = Тоб

К = 1

в₀ = Коб · Тип = 1,5 · 2,5 = 3,75

в₁ = Коб = 1,5

а₀ = Тоб · Тип = 10,6 · 2,5 = 26,5

а₁ = Тоб + Т · К = 10,6 + 2,5 · 1 = 13,1

а₂ = Коб · Кип · Киу · Кр + К = 1,5 · 2,5 · 0,3 · 0,706 + 1 = 1,794

а₃ = Коб · Кип · Киу · S₀ = 1,5 · 2,5 · 0,3 · 0,415 = 0,467

Кобщ = Коб · Кип · Киу = 1,5 · 2,5 · 0,3 = 1,125

Характеристическое уравнение передаточной функции:

а₀ · р³ + а₁ · р² + а₂ · р + а₃ = 0

А = В =

S₀ = = = 0,415

Ти = = = 2,41

Кр = = = 0,706

2.2.6 Переходная характеристика (кривая разгона) ПИ-регулятора

С заданными параметрами настройки Кр = 0,706 и Ти = 2,41

x(t) = Кр + · t = 0,706 +

Кривую разгона строим по двум точкам

t = 0 x(t) = Кр = 0,706

t = Ти = 2,41 x(t) = Кр + 1 = 0,706 + 1 = 1,706

2.2.7 Передаточные функции элементов АСР

Wоб(р) = =

Wд(р) = =

Wр(р) = Кр + = 0,706 +

Wиу(р) = Киу = 0,3

2.2.8 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. Кр = 2,460; Ти = 2,410; Р₁ = -0,214; Р₂ = -0,140; Р₃ = 0,250

0	0,324	-0,016	-0,017	0,009
0,133	0,275	-0,031	-0,010	0,008
0,242	0,222	-0,039	-0,005	0,007
0,322	0,169	-0,042	0	0,006
0,372	0,118	-0,041	0,004	0,004
0,393	0,074	-0,037	0,007	0,003
0,388	0,036	-0,031	0,008	0,002
0,363	0,006	-0,024	0,009	0,001

Значение регулируемого параметра в переходном процессе 1 шаг (1с.) 2 вариант. Кр = 0,706; Ти = 2,410; Р₁ = -0,432; Р₂ = -0,031; Р₃ = 0,199

0	0,516	-0,034	-0,313	0,033
0,134	0,485	-0,110	-0,290	0,078
0,252	0,436	-0,176	-0,258	0,117
0,351	0,373	-0,232	-0,218	0,149
0,430	0,299	-0,275	-0,171	0,174
0,485	0,218	-0,305	-0,120	0,190
0,518	0,133	-0,321	-0,068	0,197
0,528	0,048	-0,323	-0,0016	0,197

Переходный процесс колебательный

Показатели качества:

Динамическая ошибка: График 1 зеленый у_дин = у_max - u u = 0

у_дин = 0.393 - 0 = 0,393

График 2 красный у_дин = 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:

? = %

График 1: ? = % = 10,7%

График 2: ? = % = 61,2%

Сведем данные в таблицу:

№	удин	уст	Тр	?
1	0,393	0	27	10,7
2	0,528	0	39	61,2

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

кристаллизация установка

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