Разработка автоматизированной системы управления участком теплового пункта процесса циркуляционного слива железнодорожных цистерн

 

Рис.3.7. Переходный процесс по температуре нефтепродукта на выходе теплообменника

 

4 Синтез системы автоматического  управления технологическим объектом

4.1 Определение критерия управления

 

Поскольку система весьма сложна, то при помощи только одного регулятора невозможно добиться стабильной и устойчивой работы системы. Поэтому перед началом проектирования следует разбить систему на контуры.

 Применение подчиненного  регулирования координат в рассматриваемом  случае оправдано весьма большой сложностью объекта регулирования.  Кроме того, метод подчиненно регулирования координат позволяет повысить надежность, системы, поскольку, при разрыве внутреннего контура, например, вследствие обрыва кабель-трассы датчика, регулятор внешнего контура сыграет роль компенсатора и не позволит переходному процессу выйти из-под контроля.

Проведём синтез регуляторов  с подчиненным регулированием координат, и будем настраивать контура  на технический оптимум. Значения перерегулирования  при настройке на технический оптимум не должно выходить из диапазона (4.3-10%).

4.2 Выбор методики синтеза системы. Синтез регуляторов

 

В состав блока предварительного окисления входят два контура:

• контур регулирования угловой скорости вращения  электродвигателя;
• контур регулирования расхода пара;
• контур регулирования температуры сырья в теплообменнике.

 

 

4.2.1 Синтез контура  регулирования угловой скорости  вращения электродвигателя. Расчёт  регулятора.

Контур регулирования  угловой скорости вращения электродвигателя включает в себя силовой преобразователь и электродвигатель. Номинальное задающее напряжение равно В. Выходной координатой у этого контура будет являться угловая скорость вращения электродвигателя, которая равна 157рад/с. Передаточные функции силового преобразователя и электродвигателя равны

     (4.1)

   (4.2)

 

Поскольку в состав АСУТП  входят СП, ЭД, Кл и ТП приведём значения максимальных и номинальных параметров данных элементов (таблица 4.1).

 

Таблица 4.1 – Значения элементов  системы

	СП	ЭД	КЛ	ТП
Номинальные значения	220 В	157рад/с	0.8 т/ч	115°С
Максимальные значения	220×1.5 В	157×1.5рад/с	1 т/ч	135°С

 

Произведём расчет регулятора для контура регулирования угловой  скорости вращения электродвигателя.

Схема контура регулирования  угловой скорости вращения электродвигателя показана на рисунке 4.1.

 

Рис.4.1. Схема контура регулирования угловой скорости вращения электродвигателя

 

Коэффициент обратной связи  контура регулирования угловой  скорости вращения электродвигателя равен:

   (4.3)

Передаточная функция  регулятора для контура регулирования  угловой скорости вращения электродвигателя равна отношению желаемой передаточной функции к исходной передаточной функции контура

    (4.4)

,

где с.

    (4.5)

   (4.6)

   (4.7)

Исходя из формул (4.5) и (4.7), находим передаточную функцию регулятора для контура регулирования угловой скорости вращения  электродвигателя

    (4.8)

Так как порядок числителя  выше порядка знаменателя, то знаменатель  необходимо домножить на . Таким образом, передаточная функция регулятора для контура регулирования угловой скорости электродвигателя примет вид

    (4.9)

   (4.10)

 

4.2.2 Синтез контура  регулирования расхода пара. Расчёт  регулятора.

 

Контур регулирования расхода пара включает в себя силовой преобразователь, электродвигатель и клапан. Номинальное задающее напряжение равно В. Выходной координатой у этого контура будет являться расход пара, который регулируем с помощью клапана.

Передаточная функция клапана равна:

     (4.11)

Коэффициент обратной связи  контура регулирования расхода  пара равен

    (4.12)

Схема контура регулирования  расхода пара в теплообменник  показана на рисунке 4.2.

Рис. 4.2. Схема контура регулирования расхода пара в теплообменнике

 

Передаточная функция  регулятора для контура регулирования расхода в теплообменнике равна отношению желаемой передаточной функции к исходной передаточной функции контура:

    (4.13)

,

где с.

    (4.14)

    (4.15)

   (4.16)

 (4.17)

Так как корень из 0.00000005s³ меньше самой маленькой постоянной времени, то этим значением можно пренебречь. Таким образом, передаточная функция контура регулирования угловой скорости вращения будет равна:

   (4.18)

 

Находим исходную передаточную функцию контура регулирования  температуры сырья в теплообменнике

  (4.19)

  (4.20)

Находим передаточную функцию  регулятора для контура расхода  пара

  

   (4.21)

Так как порядок числителя  выше порядка знаменателя, то знаменатель необходимо домножить на . Таким образом, передаточная функция регулятора для контура регулирования расхода пара примет вид:

   (4.22)

 

4.2.3 Синтез контура  регулирования температуры сырья в теплообменнике. Расчёт регулятора.

 

Контур регулирования  температуры включает в себя силовой  преобразователь, электродвигатель, клапан, теплообменник. Номинальное задающее напряжение равно В. Выходной координатой у этого контура будет являться температура сырья на выходе теплообменника.

Передаточная функция  теплообменника равна:

     (4.23)

Коэффициент обратной связи  контура регулирования температуры  равен

    (4.24)

Схема контура регулирования температуры сырья в теплообменнике показана на рисунке 4.3.

Рис. 4.3. Схема контура регулирования температуры нефтепродукта на выходе теплообменника

Передаточная функция замкнутого контура по расходу 

Формула исходной передаточной функции:

Для нахождения передаточной функции  регулятора необходимо настроить систему  на технический оптимум.

Желаемая передаточная функция представлена в виде:

Находим передаточную функцию регулятора для контура регулирования температуры нефтепродукта на выходе теплообменника, причем 

Подставляя численные значения получим:

4.3 Проведение эксперимента

 

Собираем контур регулирования угловой скорости вращения электродвигателя в пакете MatLAB (рисунок 4.4).

 

Рис. 4.4. Модель контура регулирования угловой скорости вращения электродвигателя

 

 

Из графика переходного  процесса (рисунок 4.5) видно, что установившееся значение равно 157, а максимальное значение -169. Перерегулирование будет равно

 

 

Рис. 4.5. График переходного процесса в контуре регулирования угловой скорости электродвигателя

 

Показатели качества переходного процесса соответствуют  искомым. Перерегулирование составляет 7.64%, что является допустимым для контура, настраиваемого на технический оптимум.

Собираем контур регулирования  расхода пара в пакете MatLAB (рисунок 4.6).

 

 

Рис. 4.6. Модель контура регулирования расхода пара

 

Из графика переходного процесса (рисунок 4.7) видно, что установившееся значение равно 0.8, а максимальное значение – 0.83. Перерегулирование будет равно

Рисунок 4.7 –График переходного процесса в контуре регулирования расхода пара в теплообменнике

 

Показатели качества переходного процесса соответствуют  искомым. Перерегулирование составляет 3.8%, что является допустимым для  контура, настраиваемого на технический  оптимум.

Собираем контур регулирования  температуры сырья в пакете MatLAB (рисунок 4.8).

 

 

 

Рис. 4.8. Модель контура регулирования температуры сырья

 

Из графика переходного  процесса (рисунок 4.9) определим время  переходного процесса, которое будет  равно 150 с, установившееся значение равно 115 ºС.

 

Рис. 4.9. График переходного процесса в контуре регулирования температуры

 

Показатели качества переходного  процесса соответствуют искомым.

 

5 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ

 

Приведем текстовое  описание алгоритма.

После посыла оператором команды на включение происходит практически синхронный запуск насосов высокого и низкого давления, что инициирует подачу нагретого нефтепродукта и откачку части холодного, но жидкого нефтепродукта из цистерны. Для того чтобы насосы успели создать некоторое давление перед последующей проверкой, вводим пятисекундное ожидание.

Затем в цикле многократно проверяется  значение давления на выходе насосов  высокого и низкого давления. Несмотря на то, что у оператора нет возможности  изменить создаваемое ими давление (в этом нет необходимости – насосы работают на номинальном режиме), он имеет возможность отслеживать текущие показатели, характеризующие качество поступающего со слива нефтепродукта (номинальные показатели говорят об оптимальной вязкости и отсутствии сгустков). Кроме того, данная проверка позволяет контролировать факт работы насосов (давление отлично от нуля) и в случае остановки любого из них (поломки, давление равно нулю), обесточить также и другой насос (вместе с прекращение подачи питания на вышедший из строя), перекрыть подачу пара (положение задвижки Q%L=0) в теплообменник и выдавать аварийное сообщение на АРМ оператора. На этом система завершает свое действие и в дело вступает ремонтная бригада.

Если же насосы функционируют, далее  происходит циклическая проверка значения температуры  на выходе теплообменного аппарата Т_т, снимаемого с помощью термопары. В случае, если текущая температура отличается от заданной Т_з в настоящий момент (оператор имеет возможность в любой момент скорректировать заданную температуру в зависимости от хода технологического процесса, т.е. качества размывания и слива осажденных или холодных частей нефтепродукта; значение по умолчанию 115°С),  по заданному алгоритму происходит коррекция положения задвижки подачи теплоносителя (пара) в теплообменный аппарат, что изменяет расход пара и тем самым регулирует степень нагрева нефтепродукта в теплообменнике, а значит, и влияет на растапливание нефтепродукта в цистерне. Увеличение Q%L (увеличение проходного сечения, открытие задвижки) приводит к увеличению подачи пара и увеличению температуры на выходе теплообменника, уменьшение же Q%L (уменьшение проходного значения, закрытие задвижки) – к снижению.

Алгоритмическая схема работы проектируемой  АСУ ТП представлена на рисунке 5.1.

Рис. 5.1. Алгоритмическая схема проектируемой АСУ ТП

 

6 Расчет и выбор  элементов технических средств  автоматизации с учетом ограничений

6.1 Разработка структурной схемы технических средств АСУ ТП

В соответствии с вышеизложенной информацией, представим структурную схему технических средств  следующим образом (рисунок 6.1)

Рис. 6.1. Структурная схема технических средств

К пяти цифровым выходам DO подключены насосы высокого и низкого давления (старт и стоп на каждый насос),  а также аварийная сигнализация. Один выход находится в резерве. С помощью двух аналоговых выходов АО происходит управление клапаном, а три аналоговых входа принимают сигналы от датчиков давления и датчика температуры. Один вход находится в резерве.

Связь между АРМ и микроконтроллером Овен 150 осуществляется по стандарту Ethernet.

6.2 Выбор технических элементов информационно-измерительной системы

6.2.1 Выбор датчиков для измерения температуры

 

Для соблюдения параметров технологического процесса (температуры  нефтепродукта на выходе теплообменного аппарата) произведём выбор прибора для измерения температуры с учетом требований.

В качестве прибора для  измерения температуры будет  использоваться Метран-2700.

Метран-2700 (рисунок 6.2) микропроцессорные термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом 4-20 или 20-4 мА предназначены для измерения температуры различных сред в газовой, нефтяной, угольной, энергетической, металлургической, химической, нефтехимической, машиностроительной, металлообрабатывающей, приборостроительной, пищевой, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности, а также в сфере ЖКХ и энергосбережения.