Автоматизация процесса производства бутадиена-1,3 из н-бутана (участок дегидрирования н-бутенов)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт Петербургский Государственный Технологический институт (Технический Университет)

Факультет Информатики и управления

Кафедра Автоматизации процессов химической промышленности

Группа 862

Курсовой проект

по дисциплине:

«Автоматизация технологических процессов основных химических производств»

Тема проекта: «Автоматизация процесса производства бутадиена-1,3 из н-бутана (участок дегидрирования н-бутенов)»

Вариант №8_10

Студент Ивановская М.А.

Руководитель проекта Куркина В.В.

доцент

Санкт-Петербург - 2010 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Краткое описание производства, включающего рассматриваемый технологический процесс

2. Анализ технологического процесса, как объекта автоматизации

2.1 Описание технологического процесса

2.2 Разработка информационной схемы для печи

2.3 Определение параметров контроля, регулирования и сигнализации

2.4 Описание основных структур АСР

3. Синтез АСР по основных каналам регулирования

3.1 Постановка задачи синтеза

3.2 Определение параметров объекта по каналу «Температура газа в печи - температура газа после печи »

3.3 Определение оптимальных настроек регуляторов (ОНР)

3.4 Синтез одноконтурной АСР по вспомогательному каналу «температура газа в печи - степень открытия клапана» (Т6зд = 600⁰ С, м = 0)

3.5 Синтез одноконтурной АСР по основному каналу «температура газа после печи - степень открытия клапана» (Т5зд = 400⁰ С, м = 0)

3.6 Синтез каскадной АСР

3.7 Сравнительный анализ результатов синтеза одноконтурной и каскадной АСР

4. Описание схемы автоматизации

Заключение

Список используемых источников

ВВЕДЕНИЕ

В данном курсовом проекте рассматривается процесс производства бутадиена-1,3 из н-бутана, а именно, участок дегидрирования н-бутенов.

Производство бутадиена-1,3 очень актуально, т.к. бутадиен является сырьём для производства каучуков.

Бутадиеновые каучуки - продукт полимеризации бутадиена. При полимеризации молекулы бутадиена могут соединяться с участием любой из двух или обеих двойных связей, образуя полимеры с различной конфигурацией химических звеньев в макромолекуле:

Для конфигурации 1, 4 возможны 2 изомера - цис (II) и транс (III)

В зависимости от условий полимеризации и природы катализатора получают бутадиеновые каучуки, различающиеся содержанием в их макромолекулах звеньев конфигурации 1, 4 (как цис-, так и трансструктуры) и звеньев конфигурации 1, 2.

Бутадиен является крупнотоннажным продуктом, который очень широко используется.

Бутадиеновые каучуки - каучуки общего назначения. Основная область применения каучуков с высоким содержанием звеньев 1,4-цис- изготовление протекторных и обкладочных (каркас, боковина) шинных резин. Эти каучуки используют также в производстве РТИ (например, конвейерных лент), низа обуви, изоляции кабеля, ударопрочного полистирола и др. Каучуки с высоким содержанием звеньев 1,2 (СКВ, СКДСР) используют в производстве антифрикционных асбестотехнических изделий, линолеума, абразивного инструмента, изделий бытового назначения и др.

Каталитическое дегидрирование насыщенных углеводородов стало основным источником производства не только бутадиена, но и таких крупнотоннажных продуктов как изопрен, изобутилен, стирол. На основе этих мономеров, получаемых в близких условиях, вырабатываются многочисленные виды синтетических каучуков, в том числе хлоропренового, нитрильного, бутадиенового, бутилкаучука, изопренового, бутадиен-стирольного, бутадиен-нитрильного и др. Спрос на бутадиен обусловлен также его использованием для производства адипонитрила и получением на его основе найлона.

По объему мирового производства бутадиеновые каучуки уступают лишь бутадиен-стирольным каучукам; выпуск бутадиеновых каучуков капиталистических странах в 1985 составил приблизительно 1,5 млн. т. [4]

1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА, ВКЛЮЧАЮЩЕГО РАССМАТРИВАЕМЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Большинство промышленных установок получения дивинила из бутана работает по двухстадийной схеме. Первая стадия дегидрирования бутана заключается в превращении его В бутилен, а вторая - это процесс получения дивинила из бутилена.

Дегидрирование бутана в бутилен на хромооксидном промотированном катализаторе, нанесенном на оксид алюминия, протекает по реакции

С₃Н₁₀ - С₄Н₈ + Н₂;

ДН = 131 кДж

В промышленных реакторах протекают и побочные реакции: обратная реакция гидрирования бутилена, крекинг бутана и бутилена, изомеризация бутана и бутилена, реакции углеобразования. На советских промышленных установках по дегидрированию бутана применяют системы с кипящим слоем мелкозернистого алюмохромового катализатора марки К5.

В процессе дегидрирования бутана катализатор покрывается углеродистыми отложениями и изменяет свой химический состав. Активность катализатора при этом резко снижается. С целью реактивации катализатор непрерывно отводят из реактора и обжигают в токе воздуха в регенераторе с кипящим слоем. Углеродистые соединения при этом выгорают, а низшие оксиды хрома окисляются до Сг₂О₃.

Дегидрирование бутилена до дивинила протекает на хром-кальций-фосфатном катализаторе по реакции

С₄Н₈-С₄Н₆ + Н₂, ДН = 119 кДж

Бутадиен при повышенных температурах разлагается, поэтому для сохранения достаточно высокой селективности по бутадиену на практике приходится прибегать к снижению парциального давления реакционных газов за счет применения перегретого водяного пара или вакуума.

Оптимальная температура сырья на входе в реактор 860-910 К. Степень конверсии регулируется объемной скоростью, которая колеблется для разных катализаторов в пределах 150-600 ч™.

Двухстадийный процесс позволяет создать на каждой стадии оптимальные условия ее протекания, обеспечивающие максимальный выход продуктов и селективность.

Для проведения первой стадии широко используются аппараты кипящего слоя. Такие аппараты отличаются целым рядом преимуществ в сравнении с аппаратами, в которых катализатор неподвижно располагается на нескольких тарелках:

- изотермичность слоя, которая достигается благодаря активному перемешиванию;

- текучесть слоя, в результате которой появляется возможность транспортировки закоксованного катализатора из реактора в регенератор и обратно;

- высокая поверхность межфазного обмена, обусловленная малым размером частиц катализатора, в результате - высокие скорость теплообмена и массопередачи;

- низкое гидравлическое сопротивление слоя, обеспечивающее уменьшение энергозатрат и повышающее скорость процесса.

Таким образом, в конструкции реактора соблюдены все закономерности проведения гетерогенно-каталитических реакций. Процессы дегидрирования и регенерации осуществляются в разных аппаратах одинаковой конструкции.

В отличие от первой, вторая стадия протекает в адиабатических реакторах с неподвижным слоем катализатора. Необходимое для реакции тепло подводится с перегретым паром, смешиваемым с сырьем.

Достоинство этих аппаратов - простота конструкции, недостатки - неравномерность распределения температуры в слое, высокое гидравлическое сопротивление аппарата, ухудшение показателей эффективности работы реактора по мере закоксовывания катализатора, периодичность работы аппарата, попеременно работающего то в режиме дегидрирования, то в режиме регенерации.

Стадия осуществляется при более высокой температуре и пониженном парциальном давлении, которое достигается при разбавлении бутенов водяным паром. Температура для разных типов катализатора колеблется от 580 до 677⁰ С, разбавление паром - в соотношении 20 : 1. Охлаждение контактного газа (закалка) осуществляется впрыскиванием водяного конденсата, дальнейшее охлаждение газа происходит в котле-утилизаторе, затем газ направляется на промывку в скруббер и далее на разделение.

Выход бутадиена от массы исходного бутена составляет 20-35%. Селективность колеблется от 73 до 94%.

Технологическая схема производства бутадиена-1,3 из н-бутана состоит из нескольких участков:

- участок дегидрирования н-бутана в н-бутен;

- участок выделения бутан-бутеновой фракции;

- участок разделения;

- участок дегидрирования н-бутенов;

- участок выделения бутен-бутадиеновой фракции;

- участок разделения бутен-бутадиеновой фракции.

Реакторный блок установки, включает два (или больше) аппаратов, работающих попеременно на дегидрирование сырья и регенерацию катализатора.

Сырьем для производства бутадиена методом дегидрирования служит бутановая фракция попутного газа или бутан-бутиленовая фракция газов каталитического крекинга или пиролиза.

Реакция дегидрирования бутана относится к классу сложных последовательных сильно эндотермических реакций, протекающих с увеличением объема:

Кроме целевой реакции в этой системе протекает большое количество побочных процессов: реакции циклизации, крекинга, изомеризации, ароматизации, коксообразования и др. Вследствие этого в результате дегидрирования образуется сложная смесь углеводородов, разделение которой связано с существенными затратами энергии и вспомогательных материалов.

Процесс дегидрирования осуществляется в присутствии катализатора. Высокие температуры синтеза и повышенная реакционная способность продуктов приводят к его быстрому закоксовыванию. В результате катализатор работает на дегидрирование только 15-20 мин, затем реактор переключается на регенерацию. Регенерация осуществляется с помощью выжигания кокса воздухом и длится 30 мин.

2. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА, КАК ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

На данном участке (дегидрирования н-бутенов) автоматизируются процессы контактирования и регенерации, а также переключения реактора с одного вида работы на другой.

Командный прибор через определённые промежутки времени с помощью соответствующих задвижек автоматически переключает технологические линии, осуществляя смену операций в цикле контактирования - регенерация.

Основной задачей при автоматизации процесса контактирования является обеспечение максимального выхода бутадиена (17% на пропущенные н-бутены, 80% на разложение).

Найдена экстремальная зависимость между содержанием бутадиена в контактном газе и температурой реакции, а также подачей н-бутенов в реактор. Это даёт возможность установить экстремальный регулятор выхода бутадиена, который корректирует работу регуляторов температуры контактирования и расхода н-бутенов. Поскольку непосредственно в реактор тепло не подводится, регулируют температуру смеси перегретого водяного пара и перегретого пара н-бутенов, идущей на дегидрирование. Регулирование осуществляется разбавление смеси насыщенным водяным паром.

Перед смешением температура перегретых паров стабилизируется двухконтурной системой, в которой основным параметром является температура перегретых паров, а вспомогательным- температура перевальной стенки печи.

Для сохранения однозначной зависимости между выходом бутадиена и температурой реакции в схеме предусмотрено поддержание постоянного времени контактирования. Это осуществляется стабилизацией давления насыщенных паров н-бутенов.

Нормальная закалка контактного газа обеспечивается регулирование м температуры его после реактора. Поддержание материального баланса в котле-утилизаторе осуществляется стабилизацией уровня.

Оптимальное проведение процесса регенерации обеспечивается узлами стабилизации расхода насыщенного водяного пара, поступающего в печь, и температуры в печи.[1]

2.1 Описание технологического процесса

Процесс дегидрирования н-бутенов происходит в реакторе Р в присутствие водяного пара на неподвижном катализаторе. По истечении определенного времени активность катализатора падает, и реактор переключается с контактирования на регенерацию, т.е. процесс дегидрирования н-бутенов периодичен.

Контактирование ведется при закрытых задвижках Кл4, Кл5, Кл6 и открытых - Кл1, Кл2, Кл3, Кл7. Насыщенные пары н-бутенов из испарителя ИП поступают в печь ПЧ. Выходящие из печи перегретые пары н-бутенов смешиваются с водяным паром. На смешение подается как насыщенный водяной пар, так и перегретый в печи ПЧ. Образующаяся смесь проходит сверху вниз через реактор Р, заполненный катализатором. Контактный газ подвергается закалке впрыскиванием воды, а затем через котел-утилизатор КУ поступает на участок выделения бутен-бутадиеновой фракции.

Регенерирование ведется при закрытых задвижках Кл1, Кл2, Кл3, Кл7 и периодически открывающихся задвижках Кл4, Кл5, Кл6. Первоначально реактор при открытой задвижке Кл4 продувается паром, затем открывается задвижка Кл5, закрывается задвижка Кл4, и в реактор подается воздух для выжигания кокса с гранул катализатора. По окончании этого процесса система вновь продувается паром. Газы регенерации выбрасываются в атмосферу при открытой задвижке Кл6. Затем цикл повторяется.

2.2 Разработка информационной схемы для печи

автоматизация производство бутадиен

В общем виде информационная схема любого процесса может быть представлена в виде схемы, изображенной на рис.2.2

Из рисунка видно, что процесс как объекта управления характеризуется тремя основными группами переменных.

1. Вектор регулируемых и контролируемых переменных - совокупность параметров, характеризующих состояние процесса. Эти параметры необходимо стабилизировать или изменять по определённым законам. Как правило, они измеряются непосредственно, но в некоторых случаях они определяются по косвенным измерениям или вычисляются по адекватной математической модели процесса.

2. Вектор управляющих воздействий - совокупность параметров, изменение которых может воздействовать на процесс с целью управления. Обычно это расходы компонентов, промежуточных или готовых продуктов, частота вращения или положение различных объектов.

3. Вектор возмущающих воздействий. На каждый технологический процесс оказывают влияние различные возмущения, действие которых не связано с управлением процессом. Они могут быть внешними (например, температура окружающей среды) и внутренними, контролируемыми и неконтролируемыми, носит случайный и систематический характер.

Изучение литературных источников позволило определить основные составляющие векторов X,Y,Z для одного из основных аппаратов процесса - печи ПЧ. Эти переменные сведены в таблицы 2.1, 2.2, 2.3.

Таблица 2.1 - Управляющие воздействия (вектор X)

Переменные	Характеристика	Обозначение
X1	Изменение расхода топлива	G6
X2	Изменение расхода насыщенных паров н-бутенов	G3
X3	Изменение расхода водяного пара	F6

Таблица 2.2 - Контролируемые переменные (вектор Y)

Переменные	Характеристика	Обозначение
Y1	Расход водяного пара(насыщенного и перегретого)	F7
Y2	Расход перегретых паров н-бутенов	G4
Y3	Температура перегретого пара н-бутенов	T5
Y4	Температура в печи	T6

Таблица 2.3 - Возмущающие воздействия (вектор Z)

Переменные	Характеристика	Обозначение
Z1	Изменение температуры окружающей среды	Токр.ср.
Z2	Изменение давления окружающей среды	Pокр.ср.
Z3	Теплопотери в окружающую среду	Qпотерь
Z4	Изменение температуры топлива	Tтоплива
Z5	Изменение давления топлива	Pтоплива
Z6	Изменение теплотворной способности топлива	Qтоплива
Z7	Изменение температуры водяного пара	Tвод.пара
Z8	Изменение давления водяного пара	Pвод.пара
Z9	Изменение энтальпии водяного пара	Sвод.пара
Z10	Изменение температуры н-бутиленов	Tисх.смеси
Z11	Изменение давления н-бутиленов	Pисх.смеси
Z12	Изменение концентрации н-бутиленов
Z13	Налипание в печи	Bпечи

Возмущения могут быть классифицированы по месту возникновения: внутренние и внешние, по степени контроля: контролируемые и неконтролируемые, по характеру проявлении: случайные и систематические. Данная классификация возмущающих факторов представлена в таблице 2.4.

Анализ информационной схемы процесса нагрева в печи. При рассмотрении процесса нагрева исходной смеси в печи можно сделать вывод о том, что основной задачей данного участка дегидрирования является обеспечение максимального выхода бутадиена. Следовательно, необходимо поддерживать нужный расход перегретых паров н-бутенов, выходящих из печи. А выход перегретых паров н-бутенов зависит от температуры подаваемого сырья и состава этого сырья.

Таблица 2.4 - Классификация возмущающих факторов

Возмущения	Внутренние	Внешние	Контролируемые	Неконтролируемые	Систематические	Случайные
Изменение температуры окружающей среды		*	*			*
Изменение давления окружающей среды		*	*			*
Теплопотери в окружающую среду		*	*		*
Изменение температуры топлива		*	*			*
Изменение давления топлива		*	*			*
Изменение теплотворной способности топлива		*	*			*
Изменение температуры водяного пара		*	*			*
Изменение давления водяного пара		*	*			*
Изменение энтальпии водяного пара		*		*		*
Изменение температуры н-бутиленов		*	*
Изменение давления н-бутиленов		*	*
Изменение концентрации н-бутиленов		*		*		*
Налипание в печи	*			*	*

Следовательно, обеспечить заданное качество процесса мы можем поддержанием заданного температурного профиля в зоне реакции. Стабилизировать состав исходного сырья невозможно: он зависит от режима процессов нефтепереработки.

На информационной схеме процесса дегидрирования н-бутенов видно, что на процесс действует большое число возмущающих факторов. При чем почти все возмущения контролируемы (прямо или косвенно). Контролируемость возмущения обуславливает его введение в систему управления, тем самым дает возможность компенсации данного возмущающего фактора. Наибольшее значение для анализа имеют те возмущения, которые не контролируются и имеют сильное влияние на процесс и систему управления (способны нарушить ход технологического процесса и даже повлечь за собой аварийную ситуацию). К таким возмущениям относятся налипание в печи, изменение концентрации исходной смеси.

2.3 Определение параметров контроля, регулирования и сигнализации

Анализ процесса дегидрирования н-бутенов и исследование информационной схемы процесса нагрева в печи, представленной на рисунке 2.3 позволяют определить параметры контроля и регулирования, необходимые для поддержания нормального хода процесса.

Регулированию подлежат следующие параметры:

- уровень в котле-утилизаторе;

- температура в реакторе;

- расход н-бутиленов со склада;

- температура газа после печи;

- соотношение расходов воздуха и газов после печи на входе в реактор.

Контролю подлежат все регулируемые параметры, а также:

- температура в реакторе;

- давление потока газа после реактора.

Световая сигнализация отклонения следующих параметров:

- рост уровня в котле-утилизаторе;

- отклонение от нормального диапазона температуры в реакторе.

2.4 Описание основных структур АСР

Одноконтурная АСР. В общем случае любая одноконтурная АСР с главной обратной связью путем постепенного укрепления звеньев может быть приведена к простейшему виду, передаточная функция разомкнутой системы, которой W(p) = W_P(p) * W_ОБ(p)

В процессе дегидрирования н-бутенов регулирование уровня в котле-утилизаторе КУ путем изменения расхода подачи прямой воды представим в виде одноконтурной АСР.

Также представим в виде одноконтурной АСР регулирование соотношения расходов воздуха и газов после печи ПЧ на входе в реактор Р путём изменения расхода воздуха F₈ = г*F₇, где г- коэффициент соотношения:

Комбинированные АСР. Это многоконтурная система регулирования, состоящая из одноконтурной АСР и динамического компенсатора, обеспечивающая инвариантность регулирующего параметра по отношению к основному возмущению.

Для объектов, подверженных действию существенных контролируемых возмущений, создаются комбинированные системы, использующие дополнительные (корректирующие) импульсы по возмущению. Такие системы кроме обычного стандартного регулятора содержат вспомогательные регулирующие устройства - динамические компенсаторы.

Комбинированные системы в зависимости от расположения компенсатора бывают:

1. системы с компенсатором, подключенным на вход объекта;

2. системы с компенсатором, подключенным на вход регулятора.

Представим регулирование температуры в реакторе Р и расхода н-бутиленов со склада в виде комбинированных систем с коррекцией по концентрации бутадиена на выходе из реактора, при этом в качестве регулирующих воздействий в одноконтурных системах будем принимать: для температуры - расход газа после печи, для расхода - поток подачи н-бутиленов.

3. СТРУКТУРНЫЙ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ КАСКАДНОЙ АСР

3.1 Постановка задачи синтеза

Целью синтеза является определение структуры и параметров АСР, обеспечивающих устойчивость и необходимые показатели качества регулирования при типовых внешних возмущающих воздействиях. Процедура подразделяется на этапы структурного и параметрического синтеза.

Структурный синтез подразумевает, во-первых, выбор структуры АСР, которая определяется свойствами технологического процесса, как объекта регулирования и, во-вторых, определение структуры регуляторов (законов регулирования). Параметрический метод синтеза состоит в расчете оптимальных параметров (настроек) регуляторов (ОНР), обеспечивающих требуемое качество регулирования при заданной структуре АСР[3].

В процессе нагрева н-бутеленов основное назначение печи - получение максимального выхода паров н-бутенов. Поэтому в результате проведения анализа информационной схемы стадии нагрева в печи в качестве основного канала регулирования был выбран канал регулирования температуры газа после печи Т₆ изменением подачи расхода топлива G₆ , с использованием в качестве вспомогательного параметра температуру в печи Т₅.

Регулирование температуры газа после печи можно осуществить тремя способами:

- используя одноконтурную АСР стабилизации температуры газа в печи путем изменения расхода топлива;

- используя одноконтурную АСР стабилизации температуры газа после печи путем изменения расхода топлива;

- используя каскадную АСР регулирования температуры газа после печи изменением температуры газа в печи в качестве вспомогательного параметра.

Одноконтурные АСР предназначены для регулирования, т.е. поддержания на постоянном значении одного технологической величины. АСР такого типа реагируют на отклонение данной величины от заданного значения. Каскадные системы применяются для автоматизации объектов, обладающих большой инерционностью по каналу регулирования или большим запаздыванием по каналу управления. Данные системы применяются в том случае, если можно выбрать промежуточную координату с лучшими динамическими свойствами и использовать для нее то же регулирующее воздействие, что и для основной координаты. В этом случае в систему регулирования включают два регулятора: основной (внешний) регулятор, служащий для стабилизации основного выхода объекта и вспомогательный (внутренний) регулятор, предназначенный для регулирования вспомогательной координаты. Заданием для вспомогательного регулятора служит выходной сигнал основного регулятора. В системах такого типа стабилизация вспомогательных величин способствует более качественному регулированию основной величины. [2]

Задачей синтеза является выбор оптимальной структуры, обеспечивающей требуемое качество регулирования, которое приведено в таблице 3.1

Таблица 3.1 - Требуемое качество переходных процессов для одноконтурной и каскадной АСР

Показатели качества	Для одноконтурной АСР	Для каскадной АСР
		Для основного канала	Для вспомогательного канала
Тпп , мин	< 3Т0	min	-
ш	> 0,9	> 0,9	> 0,75-0,9
ддин, %	? 3	? 5	< 35

Синтез АСР выполняют с помощью имитационного моделирования. Система имитационного моделирования реализована в программном комплексе SYNTEZ, разработанном на кафедре АТК и МС.

Для проведения параметрического и структурного синтеза на данном комплексе необходимо знание параметров объекта по рассматриваемым каналам, а также определение начальных настроек любым из известных методов. Программный комплекс позволяет рассчитать оптимальные настройки регулятора методом расширенных частотных характеристик (метод РЧХ), он и будет использован для определения начальных настроечных параметров регулятора. Оптимальные значения определяются итерационным методом направленного ручного поиска.

В качестве общих параметров задаются время расчета переходных процессов и дискретность квантования по времени. Качество переходных процессов оценивается по следующим параметрам:

- время переходного процесса, Тпп;

- степень затухания, ш;

- динамической ошибке, ддин;

- интегральному критерию, I.

При синтезе может быть рассмотрена как каскадная АСР, так и одноконтурная АСР. На основе сравнения качества их работы делается вывод о применении той или иной системы при разработке схемы автоматизации.

3.2 Определение параметров объекта по каналу «Температура газа в печи - температура газа после печи »

По основному и вспомогательному каналам объекты представляют собой инерционные звенья первого порядка с запаздыванием:



Определим коэффициенты объектов К1, К2 и временные характеристики Т1, Т2 и ф1, ф2. Из технологического регламента известно, что для поддержания температуры газа после печи Т₅ на уровне 400⁰ С, необходима температура газа в печи Т₆ равная 600⁰ С. Считаем, что эта температура обеспечивается при открытии клапана регулирующего органа расхода топлива на 70% . Тогда мы можем рассчитать коэффициенты для основного и вспомогательных объектов:

Т_5зд. = 400⁰ С

Т_6зд. = 600⁰ С

Временные характеристики объектов - постоянные времени Т1, Т2 и запаздывания ф1, ф2 взяты у преподавателя. Параметры объекта по основному и вспомогательному каналам приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Параметры объекта и передаточные функции по обоим каналам

Канал изменения	Передаточная функция	Параметры объекта
		Коэффициент усиления К0	Постоянная времени Т0, мин	Время запаздывания ф, мин
основной		5.7	6	4
вспомогательный		8.6	4	2

Анализ приведенных значений позволил определить общие параметры расчета: время расчета ТТ ? 80 мин; дискретность квантования по времени ДТ ~ 0,1 * Т₂ = 0.4 мин.

3.3 Определение оптимальных настроек регуляторов (ОНР)

Рассмотрим несколько методов расчета ОНР, выбор которой зависит от выдвигаемых требований к качеству переходных процессов.

3.3.1 Определение ОНР по номограммам

Сущность метода состоит в использовании номограмм, полученных в результате имитационного моделирования АСР на АВМ.

При моделировании добивались определенного типа переходного процесса в системе, такие как:

- апериодичность;

- с 20% перерегулированием;

- с минимум интегральной квадратичной оценки качества регулирования.

3.3.2 Определение ОНР по формулам ВТИ

В инженерной практике широко используют приближенные формулы для определения параметров настройки регуляторов для статических и астатических объектов, аппроксимируемых математическими моделями апериодических и интегрирующих звеньев 1-гло порядка с запаздыванием.

Наиболее длительную проверку выдержали формулы, разработанные Всесоюзным Теплотехническим Институтом (ВТИ) и реализованные нами в программном комплексе «SYNTEZ». В качестве критериев параметрической оптимизации для инерционного звена первого порядка с запаздыванием в формулах ВТИ приняты: степень затухания ш = 0,75 и интегральная квадратичная оценка I > min. [3]

3.3.3 Определение ОНР по расширенным частотным характеристикам (метод РЧХ)

По этому методу расчетные формулы для настроек регуляторов получают из условия, аналогичного критерию Найквиста: если разомкнутая система имеет степень колебательности не ниже заданной, то замкнутая система будет обладать заданной степенью колебательности в том случае, когда расширенная амплитудно-фазовая характеристика разомкнутой системы W_рс(m,iw) проходит через точку (1,io), т.е.

W_рс (m, iw) = 1.

Для заданных частотных характеристик объекта и выбранного закона регулирования находят вектор настроек регулятора S, обеспечивающих заданную степень колебательности на каждой частоте.

S₀, S₁, S₂ для различных видов регуляторов рассчитываются по выведенным формулам. Эти зависимости реализованы в программном модуле «ONR», входящий в комплекс «SYNTEZ». При S₂ = 0 строится линия равной степени колебательности и рассчитываются настройки для ПИ-регулятора. Задаваясь различными значениями S₂ рассчитывают линии равной степени колебательности в плоскости S₀, S₁ , создавая таким образом поверхность равной степени колебательности, ограничивающий объем устойчивости системы.

Оптимальные настройки в данном случае выбираются из ряда настроек, полученных для каждого сочетания при различных значениях S₂ , при которых рассчитанный процесс имеет минимум интегрального критерия I. Настройки регулятора определяются по следующим зависимостям:



Иллюстрация метода на рисунке 3.2

Рисунок 3.2 - Определение оптимальных настроек регулятора методом РЧХ

3.3.4 Метод Циглера-Никольса

Метод основан на определении критических параметров АСР Ккр. и щ(кр), находящихся на границе устойчивости, т.е. Wр.с.(iщ) пройдет через точку (-1, i0).

Далее используется принцип, изложенный в методе РЧХ, построение линии границы устойчивости как график S0(щ) = f(S1(щ)) при m = 0, по которой определяют щ(крит) и S1крит. при S0 = 0. ОНР рассчитываются далее по формулам.

Оптимальные настройки, рассчитанные по методу Циглера-Никольса обеспечивают в системе переходные процессы со степенью затухания ш = 0,8-0,9, что соответствует запасу устойчивости по степени колебательности m = 0.256-0.366.

3.4 Синтез одноконтурной АСР по вспомогательному каналу «температура газа в печи - степень открытия клапана» (Т_6зд = 600 ⁰С, м = 0)

Рассмотрим синтез одноконтурной АСР для Пи- и ПИД-регулятора.

При синтезе одноконтурной АСР требования к качеству переходных процессов должны быть более жесткими, чем при синтезе каскадной АСР (для вспомогательного канала), т.е.

д max ? 3% |ш > 0,5

| Тпп < 3T₀

По одноконтурной АСР для вспомогательного Пи-регулятора определим оптимальные настройки. Начальная настройка определяется методом расширенных частотных характеристик. Результаты поиска представлены в таблице 3.3

Таблица 3.3 - Оценка качества переходных процессов в одноконтурной АССР с Пи-регулятором

Вариант	Настройки ПИ-регулятора	Показатели качества
	Кр	Ти	Тпп, мин	ш	ддин, %
1	0,12	2,15	33	0,778	57,6
2	0,09	3,8	8	0,999	4,3
3	0,09	4	8	1	2,0

С помощью программы SYNTEZ было проведено уточнение настроек регулятора, в результате качества переходного процесса были улучшены.

Графики переходных процессов АСР с начальными и улучшенными настройками представлены на рисунках 3.4, 3.5.



Рисунок 3.4 - График переходного процесса в одноконтурной АСР со вспомогательным ПИ-регулятором с начальными настройками

Рисунок 3.5 - График переходного процесса в одноконтурной АСР со вспомогательным ПИ-регулятором с улучшенными настройками



Рисунок 3.6 - График переходного процесса «выход системы - регулирующее воздействие» для ПИ-регулятора

На рисунке 3.6 представлен график переходного процесса «выход системы - регулирующее воздействие». Линия 1 показывает выход системы на заданную температуру 600⁰ С. Линия 2 - степень открытия клапана.

Для исследования одноконтурной АССР со вспомогательным ПИД-регулятором проделаем те же действия.

Результаты поиска представлены на рисунках 3.7, 3.8 и в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Оценка качества переходных процессов в одноконтурной АСР с ПИД-регулятором

Вариант	Настройки ПИД-регулятора	Показатели качества
		Тпп, мин	ш	ддин, %
1	Кр = 0,15, Ти = 2,02, Тд = 0,67	46	0,616	72,0
2	Кр = 0,06, Ти = 3,4, Тд = 0,4	12	1	2,8
3	Кр = 0,1, Ти = 4,2, Тд = 0,3	8	1	2,6



Рисунок 3.7 - График переходного процесса в одноконтурной АСР со вспомогательным ПИД-регулятором с начальными настройками

Рисунок 3.8 - График переходного процесса в одноконтурной АСР со вспомогательным ПИД-регулятором с улучшенными настройками

График переходного процесса «выход системы - регулирующее воздействие» для ПИД-регулятора представлен на рисунке 3.9

Рисунок 3.9 - График переходного процесса «выход системы - регулирующее воздействие» для ПИД-регулятора

Исходя из сравнительного анализа ПИ и ПИД-регуляторов, был сделан вывод, что оба регулятора показывают удовлетворительное качество регулирования при отсутствии возмущения по каналу управления.

Исследование влияния возмущения по каналу управления на качество переходных процессов (Т_6зд = 600⁰ С, м ? 0). Для одноконтурной АССР с ПИ-регулятором будем изменять возмущение по каналу управления в процентном отношении к управляющему воздействию. Результаты исследования представлены в таблице 3.5. Анализ данной таблицы позволяет сделать вывод, что в одноконтурной АСР по вспомогательному каналу с ПИ-регулятором уже при возмущении по каналу управления >1% показатели качества не соответствуют требуемым.

Таблица 3.5 - Влияние возмущения на качество переходных процессов

Величина возмущения	Показатели качества
	Тпп, мин	ш	ддин,%
0	8	1	2
1%	7	1	4,3
3%	14	1	10
5%	15	1	17
10%	17	1	36,9
15%	18	1	58,6
20%	19	1	82,2
50%	22	1	221,8
70%	24	1	316,6

3.5 Синтез одноконтурной АСР по основному каналу «температура газа после печи - степень открытия клапана» (Т_5зд = 400⁰ С, м = 0)

Требования к качеству переходных прцессов

д max ? 3% |ш > 0,5

| Тпп < T₀ ± (10-15%)

Так как требования к качеству переходных процессов поддержания температуры газа после печи Т₅ достаточно высокие, для исследования выбираем ПИД-закон регулирования.

По одноконтурной АСР для основного ПИД-регулятора определим оптимальные настройки. Начальная настройка определяется методом расширенных частотных характеристик.

Результаты представлены в таблице 3.6

С помощью программы SYNTEZ было проведено уточнение настроек регулятора, в результате качества переходного процесса были улучшены.

Графики переходных процессов АСР с начальными и улучшенными настройками представлены на рисунках 3.11, 3.12.

Таблица 3.6 - Оценка качества переходных процессов в одноконтурной АСР с ПИД-регулятором

Вариант	Настройки ПИД-регулятора	Показатели качества
		Тпп, мин	ш	ддин, %
1	Кр = 0,27, Ти = 13,01, Тд = 0,38	38	1	16,1
2	Кр = 0,12, Ти = 6,2, Тд = 0,34	15	1	2,7
3	Кр = 0,14, Ти = 6,8, Тд = 0,32	13	1	2,8

Рисунок 3.11 - График переходного процесса в одноконтурной АСР с основным ПИД-регулятором с начальными настройками

Исследование влияния возмущения по каналу управления на качество переходных процессов (Т_5зд = 400 ⁰С, м ? 0)

Для одноконтурной АССР с ПИД-регулятором будем изменять возмущение по каналу управления в процентном отношении к управляющему воздействию.

Результаты исследования представлены в таблице 3.7



Рисунок 3.12 - График переходного процесса в одноконтурной АСР с основным ПИД-регулятором с улучшенными настройками

Таблица 3.7 - Влияние возмущения на качество переходных процессов

Величина возмущения	Показатели качества
	Тпп, мин	ш	ддин, %
0	13	1	2.8
1%	20	0,995	7,4
3%	24	1	18,6
5%	26	1	31,3
10%	28	1	66,0
15%	31	1	102,3
20%	33	1	139,3
50%	43	1	365,3
70%	46	1	516,6

Анализ данной таблицы позволяет сделать вывод, что в одноконтурной АСР по основному каналу с ПИД-регулятором уже при возмущении по каналу управления >1% показатели качества не соответствуют требуемым.

3.6 Синтез каскадной АСР

3.6.1 Методика синтеза каскадной АСР

Структура синтезируемой каскадной АСР реализована в программе SYNTEZ и представлена на рисунке 3.13. На данной схеме приняты следующие обозначения:

W1(p) - передаточная функция по основному каналу

W2(p) - передаточная функция по вспомогательному каналу

Xp1 - выход основного регулятора

Xp2 - регулирующее воздействие

Y1 - температура газа после печи

Y2 - температура газа в печи

Y0 - задание температуры газа после печи

Wр(Р1) - передаточная функция основного регулятора

Wр(Р2) - передаточная функция вспомогательного регулятора

Е1 = Y0 - Y1

E2 = Xр1 - Xр2

Выбор закона регулирования определяется назначением регуляторов:

- для поддержания основной выходной координаты (Y!) на заданном значении без статической ошибки закон регулирования основного регулятора должен включать интегральную составляющую;

- от вспомогательного регулятора требуется, прежде всего, быстродействие, поэтому он может иметь любой закон регулирования.

Синтезируя каскадную АСР для поддержания нормальной системы необходимо, чтобы качество регулирования удовлетворяло следующим условиям:

д max ? 3% |ш > 0,9

| Тпп > min - для основного регулятора

д max ? 35% |ш > 0,75

| Тпп > min - для вспомогательного регулятора

В основу методики расчета каскадной АСР положено использование понятия эквивалентного объекта. На рисунке 3.14 а представлена структурная схема каскадной АСР для 1-го эквивалентного объекта с основным регулятором. На рисунке 3.13б представлена структурная схема для 2-ого эквивалентного объекта со вспомогательным регулятором.

Исходя из вышеперечисленного методика расчета каскадной АСР заключается в следующем:

- для вспомогательного регулятора Р2 определить наилучшие настройки по одноконтурной АСР для вспомогательного канала регулирования (условно на этом этапе Р1 отключен);

- установить полученные настройки и параметры объектов W1(р) и W2(р) в каскадную АСР и снять кривую разгона для первого эквивалентного объекта;

- по данным кривой разгона определить параметры 1-го эквивалентного объекта любым из известных методов;

- по одноконтурной АСР для 1-го эквивалентного объекта определить наилучшие настройки для основного регулятора Р1;

- ввести наилучшие настройки в каскадную АСР, снять переходные процессы по обоим каналам и оценить их качество;

- если качество переходных процессов не удовлетворяет, то уточняют настройки вспомогательного регулятора Р2 по передаточной функции 2-го эквивалентного объекта;

- расчеты проводят до тех пор, пока настройки вспомогательного регулятора не совпадут с заданной точностью;

- подставить параметры объекта W1(р) и основного регулятора в одноконтурной АСР.

3.6.2 Расчет каскадной АСР

Подставим в имитационную модель каскадной АСР полученные настройки ПИ- и ПИД-регулятора, полученные ранее при исследовании одноконтурных АСР. График переходного процесса представлен на рисунке 3.14

Рисунок 3.14 - Переходный процесс в каскадной АСР

Так как качество переходных процессов по обоим каналам не удовлетворяет основным требованиям, пользуемся приведенной выше методикой.

Устанавливаем полученные настройки для ПИ-регулятора и параметры объектов W1(р) и W2(р) в каскадную АСР и получим переходную характеристику для 1-го эквивалентного объекта, изображенную на рисунке 3.15

Полученная кривая разгона для 1-го эквивалентного объекта обрабатывается графоаналитическим методом:



Рисунок 3.15 - График переходной характеристики для первого эквивалентного объекта

На кривой разгона находим две точки: время t1, соответствующее h * (t) = 0,33 и затем время t2, соответствующее h * (t) = 0,7, а затем вычисляем запаздывание и постоянную времени объекта по формулам и получаем следующие параметры объекта:

К = 0,65

Тэ об = 1,25 * (10 - 6) = 5

фэ об = 0,5 * (3 * 6 - 10) = 4

По одноконтурной АСР для 1-го эквивалентного объекта определим наилучшие настройки для основного ПИД-регулятора Р1. Результаты исследований представлены в таблице 3.8 и рисунке 3.16.

Выставляем полученные параметры в каскадную АСР и снимаем график переходного процесса по обоим каналам, который представлен на рисунке 3.17. Настройки отражены в таблице 3.9

Таблица 3.8 - Исследование одноконтурной АСР для основного регулятора с 1-ым эквивалентным объектом

Вариант	Настройки ПИД-регулятора	Показатели качества
		Тпп, мин	ш	ддин, %
1	Кр = 0,8, Ти = 6, Тд = 0,05	24	1	0,0
2	Кр = 0,9, Ти = 5,8, Тд = 0,05	17	1	0,0
3	Кр = 0,9, Ти = 5,8, Тд = 0,1	16	1	0,0

Рисунок 3.16 - Переходный процесс в одноконтурной АСР для первого эквивалентного объекта с основным регулятором

Таблица 3.9 - Исследование каскадной АСР по двум каналам регулирования

ПИ-регулятор	ПИД-регулятор
Настройки регулятора	Оценка качества	Настройки регулятора	Оценки качества
Кр	Ти	Тпп,мин	ш	ддин,%	Кр	Ти	Тд	Тпп,мин	ш	ддин, %
0,09	4	32	1	10,7	0,9	5,8	0,1	14	0,813	0



Рисунок 3.17 - Результирующие графики процессов в каскадной АСР (первая итерация)

Анализируя данные графика заметим, что оценки качества в принципе удовлетворяют заданным требованием, но необходимо подкорректировать настройки по основному каналу. В итоге для каскадной системы с ПИ-ПИД - регуляторами были найдены настройки регуляторов, удовлетворяющие заданному качеству регулирования. Результирующие графики переходных процессов для основного и вспомогательного регуляторов каскадной системы приведены в таблице 3.10 и на рисунке 3.18.

Таблица 3.10 - Результаты синтеза каскадной АСР

Канал регулирования в каскадной АСР	Настройки регуляторов	Показатели качества регулирования
		Тпп, мин	ш	ддин, %
Основной (ПИД)	Кр = 0,75	16	1	0,3
	Ти = 5
	Тд = 0,1
Вспомогательный (ПИ)	Кр = 0,09	20	1	7,2
	Ти = 4



Рисунок 3.18 - Результирующие графики переходных процессов в каскадной АСР

Исследование влияния возмущения по каналу управления на качество переходных процессов

Для определения эффективности синтезируемой АСР проведем сравнительный анализ влияния возмущения, подаваемого по каналу управления для каскадной АСР.

Результаты оценки качества переходных процессов для каскадной АСР сведены в таблицу 3.11.

Таблица 3.11 - Влияние возмущения на вход каскадной АСР

Величина возмущения	Показатели качества
	Тпп, мин	ш	ддин, %
0	16	1	0,3
1%	20	1	0
3%	26	1	0
5%	29	1	0
10%	32	0,990	1,5
15%	34	0,999	16
20%	36	0,999	32,5
50%	44	1	141,9
70%	46	1	217,2

Анализ данной таблицы позволяет сделать вывод о том, что в каскадной АСР при возмущении по каналу управления <15% показатели качества соответствуют требуемым.

3.7 Сравнительный анализ результатов синтеза одноконтурной и каскадной АСР

3.7.1 Анализ синтеза АСР по основному каналу «температура газа в печи - температура газа после печи» при отсутствии возмущения по каналу управления (Т_5зд = 400, м = 0)

Сведем в таблицу 3.12 показатели качества переходных процессов по основному каналу при работе одноконтурной АСР по вспомогательному каналу, при работе одноконтурной АСР по основному каналу и при работе каскадной АСР.

Таблица 3.12 - Показатели качества переходных процессов по основному каналу

Показатели качества	Одноконтурная АСР с ПИ-регулятором (вспомогательный канал)	Одноконтурная АСР с ПИД-регулятором (основной канал)	Каскадная АСР
Тпп, мин	35	13	16
ш	1	1	1
ддин,%	0	2,8	0.3

Анализ представленной таблицы показывает, что как одноконтурная АСР по основному каналу с ПИД-регулятором, так и каскадная АСР удовлетворяют заданным требованиям качества. Одноконтурная АСР по вспомогательному каналу с ПИ-регулятором не рекомендуется использовать для автоматизации процесса нагрева в печи, так как время переходного процесса составляет более 30минут для достижения заданной температуры газа после печи при поддержании температуры в печи на уровне 600 ⁰С.

Рисунок 3.19 - Графики переходных процессов по основному каналу при работе одноконтурных и каскадной АСР: 1 - одноконтурная АСР со вспомогательным ПИ-регулятором; 2 - одноконтурная АСР с основным ПИД-регулятором; 3 - каскадная АСР

3.7.2 Анализ результатов синтеза при наличии возмущения по каналу управления (Т_5зд = 400, мт ? 0)

Сведем результаты исследования, приведенные раннее, в виде графических зависимостей Тпп = f(м), ддин = f(м) для одноконтурной и каскадной АСР, представленных на рисунке 3.20, 3.21.

Сделаем сводную таблицу 3.13, в которой представлены результаты графических зависимостей.



Рисунок 3.20 - График зависимости Тпп = f(м): 1 - одноконтурная АСР; 2 - каскадная АСР

Рисунок 3.21 - График зависимости ддин = f(м): 1 - одноконтурная АСР; 2 - каскадная АСР

Анализ полученных результатов показывает, что каскадная система имеет преимущество перед одноконтурной АСР, так как каскадная АСР показывает лучшие результаты при наличии возмущений.

Таблица 3.13 - Анализ работы одноконтурной и каскадной АСР при наличии возмущений по каналу управления

Ограничения на качество переходных процессов	возмущение по каналу управления в %-м отношении к управляющему воздействию, показатели качества соответствуют при
	Одноконтурной АСР	Каскадной АСР
Тппдоп = Тппи + (10-15)% = 16 мин	? 1%	? 3%
Ддин ? 3%	? 1%	? 13%

Преимущество каскадной АСР можно подтвердить также, сравнив графики переходных процессов одноконтурной АСР и каскадной АСР при ДТзд = 0 и единичном ступенчатым воздействием м по каналу управления. Вид переходных процессов представлен на рисунке 3.22.

Рисунок 3.22 - Влияние ступенчатого воздействия на качество переходного процесса (м = 70%)

Анализ переходных процессов показывает, что в каскадной АСР динамическая ошибка уменьшается в 1,3 раза по сравнению с одноконтурной, а также уменьшается время переходного процесса, что является важным показателем эффективного управления печью.

Проанализировав все выше изложенное, считаем возможным рекомендовать каскадную АСР для использования в схеме автоматизации процесса нагрева газа в печи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении курсового проекта была разработана и проанализирована информационная схема для процесса нагрева газа в печи, были описаны основные структурные схемы АСР: одноконтурные и комбинированная, был выполнен синтез одноконтурной АСР по вспомогательному каналу управления с ПИ и ПИД-регуляторами, синтез одноконтурной АСР по основному каналу управления с ПИД-регулятором, синтез каскадной АСР, было рассмотрено влияние возмущения на работу систем, также провели сравнительный анализ результатов синтеза одноконтурной и каскадной АСР. Была выполнена схема автоматизации, в которой реализованы контуры регулирования, контроля и сигнализации.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности: Учеб. для техникумов. - М.: Химия, 1985 г.

2. Автоматическое управление в химической промышленности / Под общей ред. Г.Г. Дудникова. - М.: Химия,1987 г.

3. Куркина В.В.Синтез автоматических систем регулирования с использованием ПЭВМ: методические указания / В.В. Куркина, А.А. Пешехонов, А.Ю. Рыченкова. - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2002. - 38 с.

4. http://www.allbest.ru/.htm (2008).

Размещено на Allbest.ru