Министерствообразования и наук РФ
Сибирскаягосударственная Автомобильно-Дорожная Академия
(СибАДИ)
Кафедра: АППи электротехника
Расчетно-пояснительнаязаписка
к курсовомупроекту по курсу Автоматизация технологических процессов и производств
Автоматизацияпроцесса мокрого помола сырья в трубной шаровой мельнице
Выполнил: студент
группы 42АТП
Козлов А.Ю.
Проверил: доцент
Руппель А.А.
Омск 2008
Содержание
Введение
Технологический раздел
Автоматизация процесса мокрого помоласырья в трубной шаровой мельнице
Контроль влажности материала
Особенностями АСУТП помола сырья
Требования к автоматизированнымсистемам контроля и управления
Раздел автоматизации
Исходные данные к проекту
Обоснование по выбору новой структурымодернизируемой системы автоматизации
Идентификация объекта автоматизации
Анализ системы автоматизации процессамокрого помола сырья в трубной шаровой мельнице до внедрения ПИД-регулятора.
Анализ системы автоматизации процессамокрого помола сырья в трубной шаровой мельнице с ПИД-регулятором.
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Ускорение научно-технического прогресса рассматривается какглавное направление экономической стратегии Российского государства, основнойрычаг интенсификации промышленности и повышения ее эффективности. Одним изглавных средств интенсификации в промышленности является концентрация ресурсовна важнейших направлениях научно-технического прогресса, к которым отнесена икомплексная автоматизация производства. Автоматизированные системы управленияоборудованием и технологическими процессами внедряют во все без исключенияотрасли промышленного производства.
Характерные особенности современного этапа автоматизации состоят втом, что она опирается на революцию в электронно-вычислительной технике, насамое широкое использование мини — и микро-ЭВМ, а также на быстрое развитиеробототехники и гибких производственных систем.
Применение современных средств и систем автоматизации позволяетрешать следующие задачи:
— вести процесс с производительностью, максимально достижимой дляданных производительных сил, автоматически учитывая непрерывные изменениятехнологических параметров, свойств исходных материалов и полуфабрикатов,изменений в окружающей среде, ошибки операторов;
— управлять процессом, постоянно учитывая динамику производственногоплана для номенклатуры выпускаемой продукции путем оперативной перестройкирежимов технологического оборудования, перераспределения работ на однотипномоборудовании и т. п.;
— автоматически управлять процессами в условиях, вредных илиопасных для человека.
Широкое внедрение систем автоматизации приносит промышленностикроме прямого экономического эффекта существенный организационный эффект, таккак требует специалистов высокой квалификации, и, следовательно, повышает общийуровень организации производства (уменьшает степень неупорядоченности) и егокультуры, улучшает стиль и эффективность руководства и т.д.
Уровень механизации и автоматизации производственных процессовсегодня является одним из важнейших показателей научно-технического прогресса встране.
Технологическийраздел
Системы управления приготовлением сырья
Вмногокамерных трубных шаровых мельницах осуществляется процесс мокрого помоласырья. На вход мельницы с помощью дозаторов или тарельчатых питателей избункеров непрерывным потоком подаётся размалываемый материал, по трубопроводуподеётся вода. В дальнейшем шлам поступает на обжиг во вращающуюся печь. Впроцессе измельчения должна обеспечиваться стабилизация влажности и тонкостипомола шлама, а также поддержание их значений на заданных технологическойкартой величинах. При этом влажность шлама должна быть минимальна, так какизбыточное содержание воды в шламе приводит к дополнительным затратам топливана ее испарение в печах. В то же время в шламе должно содержаться стольковлаги, чтобы он беспрепятственно проходил мельницу и печь, а такжеперекачивался насосами. В системах контроля и регулирования широко применялисьиндикаторы вязкости, показания которых связаны с влажностью шлама.
Тонкостьпомола зависит как от расхода сырья, подаваемого в мельницу, так и от егоразмалываемости. Расход сырья контролируется дозаторами или тарельчатымипитателями. Измерение размалываемости сырья представляет значительныетрудности. Поэтому для контроля факторов, связанных с размалываемостыо,применяют косвенные методы. Однимиз таких факторов является уровеньзаполнения мельницы материалом, поскольку при неизменной производительности онзависят от размалываемости сырья.
Уровеньматериала в шаровой мельнице измеряют вибрационным (или электроакустическим)методом. В его основе лежит зависимость характеристик шума, издаваемогомельницей, от количества находящегося в ней материала. Чем меньше уровеньзагрузки мельницы материалом, тем интенсивнее вибрационныйсигнал инаоборот. Устройство, контролирующее уровень загрузки мельницы материалом,устанавливается в начале первой камеры в так называемойзоне дробления (УКЗМ1).Здесь воспринимается сигнал изменения количества и размалываемостиматериала. Колебания вязкости шлама на выходе из мельницы вызываются изменениемподачи материала или воды, а также изменением физических свойств сырья.
Вязкостьшлама на выходе из мельницы измеряется индикатором вязкости. Значительное времязапаздывания в мельнице затрудняет управление расходом воды непосредственно поиндикатору вязкости. Поэтому в качестве косвенного, статистически связанного сним промежуточного параметра, отражающего изменение вязкости шлама,используется сигнал другого вибрационного устройства, установленного в такназываемой зоне шламообразования, расположенной от входа на расстоянии 35—40 %длины мельницы (УКЗМ2).
/>
Перечисленныепараметры, а также результаты измерения расхода воды (индукционным расходомеромили дифманометром), известняка и добавок (по положению ножа тарельчатогопитателя или с помощью дозирующих устройств) представляются оператору напоказывающих, записывающих приборах пли па дисплее и печатающих устройствах.
Для изучениямельницы как объекта регулирования и построения основных технологическихзависимостей с помощью системы контроля и дистанционного управления определяютсясвязи между технологическими величинами. Так, на рис. 2, а приведенызависимости сигнала УКЗМ1 В зоне дробления f1, от производительностимельницы Qс при различном гранулометрическом составе материала, которыйявляется одним из показателен размалываемости. Линия 3 характеризуетнаиболее крупный и трудноразма-лываемый материал, 2 — средний, 1— легко размалываемый.
Уровеньзагрузки первой камеры мельницы материалом в зоне дробления зависит не толькоот производительности мельницы, но и от размалываемости сырья. При неизменнойпроизводительности мельницы трудноразмалываемый материал недоизмельчается, алегкоразмалываемый измельчается до чрезвычайно малых частиц. В то же времяподдержание постоянного уровня загрузки первой камеры, т. е. величины f1 приводит к обратномуявлению: подача в мельницу легкоразмалываемого сырья столь велика, что шлам навыходе будет грубого помола. Вынесенная на график линия 4 являетсялинией постоянного значения тонкости помола р.
Стабилизациязаданной тонкости помола достигается путем поддержания определенногосоотношения между изменениями величин сигнала УКЗМ1 f1 первой камеры ипроизводительности Qс.Зависимость сигнала УКЗМ2 в зоне шламообразования f11 от изменения расходаводы Qв при различных расходах материала в мельницу Qс имеет вид, показанный нарис. 2. Из графика следует, что при постоянном значении Qс увеличение расходаподаваемой в мельницу воды приводит к увеличению сигнала УКЗМ2, и наоборот.
Еслиустановись новое значение Qс, то линия переместится почти параллельно самойсебе. Таким образом, сигнал УКЗМ2 в зоне шламообразования зависит от расходаматериала, изменение которого вызывает изменение уровня в зоне, и от расходаводы. Следовательно, сигнал УКЗМ2, установленный в зоне шламообразования, можетбыть использован в качестве промежуточного параметра для регулирования вязкостишлама.
Нанесенная награфик линия 4 является линией равных значений вязкости шлама.Стабилизация заданной вязкости шлама µ достигается путем поддержанияопределенного соотношения между изменениями величины f11 и расходом подаваемой вмельницу воды Qв. Изменения гранулометрического состава и расхода подаваемого вмельницу материала, вызывая изменения уровня смеси в зоне шламообразования,компенсируются пропорциональным изменением расхода воды с помощью УК.ЗМ2. Нарис. 3 изображена блок-схема системы автоматического регулирования мокрогопомола сырья. Сигналы от устройства контроля загрузки мельницы УКЗМ1 и датчикарасхода сырья(дозатора, весоизмерителя или положения ножа тарельчатогопитателя) подаются на вход регулирующего прибора 1-4 загрузки мельницыматериалом. При соответствующих параметрах настройки регулирующий приборподдерживает определенное соотношение сигналов датчиков f1 и Qс, благодаря чемуколебания тонкости помола шлама становятся меньшими, чем при ручном управлениипроцессом.
/>
Рис. Функциональная схема системы автоматического регулированияпроцесса мокрого помола сырья
При измененииуровня загрузки первой камеры материалом изменяется величина сигнала УКЗМ1,подаваемого на регулирующий прибор, который воздействует на исполнительныймеханизм ИМ1 и перемещает нож тарельчатого питателя (или задатчикдозатора) до тех пор, пока сигнал обратной связи по положению ножа питателя(или расходомера сырья) не сбалансирует регулирующий прибор. Соотношениесигналов датчиков, поддерживаемое регулирующим прибором, при этом остаетсянеизменным.
Системаавтоматического регулирования вязкости шлама управляет расходом воды в мельницу.На регулирующий прибор Р2 подаются сигналы УКЗМ2, а также дифманометра ДМили другого расходомера воды. При изменении сигнала УКЗМ2, вызванногоизменением расхода материала, регулирующий прибор Р2 воздействует наисполнительный механизм ИМ2, который с помощью пережимного или иногоустройства пропорционально изменяет расход воды. При соответствующих параметрахнастройки регулирующий прибор поддерживает определенное соотношение междусигналами датчиков f11 и Qв, уменьшая тем самым возможные колебания вязкости шлама па выходемельницы, которая контролируется индикатором вязкости РВ.
Сигналывязкости и тонкости помола шлама непосредственно подать на вход регулирующегоприбора нельзя из-за значительного транспортного запаздывания и возможной«раскачки» системы. Если же на вход регуляторов подавать эти сигналы,усредненные за определенный промежуток времени (0,5—1,0 ч) и с учетом временизапаздывания по каждому каналу, т.е. реализовать двухкаскадную двухконтурнуюсистему управления, качество работы такой системы будет значительно выше.
Длядистанционного управления процессом служат ключи выбора режима работы, ключидистанционного управления с самовозвратом и указатели положения регулирующихорганов.
Резкое идлительное изменение свойств размалываемого материала, перегрузка мельницымелющими телами приводят к необходимости подбора параметром статическойнастройки. Некоторые параметры медленно изменяются во времени, напримеруменьшение массы шаровой загрузки. Эти изменения могут вызвать отклонениетонкости помола и вязкости шлама на выходе из мельницы, что требуеткорректировки или подстройки настроечных параметров
Если стечением времени вязкость или тонкость помола шлама установятся на новомзначении, отличающемся от заданного, то нужно изменить положение задатчиковрегулирующих приборов, чтобы, восстановить прежние значения параметров.
Привозникновения длительных незатухающих колебаний параметров качества околозаданных значении надо подстроить передаточный коэффициент соответствующегорегулирующего прибора. Для проверки выбранных параметров настройки ведетсянаблюдение за характером изменения технологических параметров измельчения втечениедлительного периода.
Системаавтоматического регулирования мокрого помола сырья была реализована ввидеустановки КРС-63. По усредненным данным, эта установка повышалапроизводительность сырьевых мельниц на 6,9%, снижала влажность шлама на 1,3 %,уменьшала разброс топкости помола в два раза. Средний годовой экономическийэффект от внедрения одной установки составлял 14,5 тыс.руб., окупаемость —около одного года.
Для мельницысамоизмельчения «Гидрофол» также разработана СКР. В составе данной системыимеются три контура управления:
управлениескоростью двигателя транспортера, подающего мел и мельницу. Используетсядвигатель постоянного тока с тиристорным преобразователем. Управляющеевоздействие изменяется в зависимости от активной мощности приводного двигателя,характеризующей степень заполнения мельницы;
управлениерасходом глиноогарочного шлама, подаваемого в мельницу, в соответствии сзаданным отношением к расходу мела. Контроль расхода осуществляетсяиндукционным расходомером ИР-51 (ИР- 11), управление — путем воздействия нашламовые задвижки или пережимные устройства;
управлениерасходом воды в мельницу по цепи: индикатор вязкости шлама, установленный навыходе мельницы, — блок преобразования сигнала — регулятор — исполнительныймеханизм (ИМ) — задвижка или пережимное устройство, изменяющее подачу воды.
Автоматизация процесса мокрого помола сырья в трубной шаровоймельнице
Цементноесырье независимо от его вида подготавливают в трубных шаровых мельницах. Еслизавод использует мягкое пластичное сырье — мел и глину, то мельницы служаттолько для окончательного его измельчения. При работе на твердых породах весьпроцесс измельчения' после его дробления ведется непосредственно в трубныхмельницах.
Системыавтоматического управления процессом помола в многокамерных шаровых мельницахоткрытого цикла должны обеспечивать стабилизацию технологических параметров —тонкости помола, влажности и максимальной производительности (рис.4).
Вавтоматическом регулировании загрузки мельниц сырьем заложен принципподдержания соотношения между частотой шума в первой камере и величиной расходаподаваемого материала электронным регулирующим прибором. При этом величинусоотношения принимают такой, при которой колебания тонкости помола шламаполучаются наименьшими. У первой камеры установлен микрофон, которыйвоспринимает частоту шума, издаваемого камерой, и преобразует ее вэлектродвижущую силу. Для контроля и регулирования процессов мокрого помолаиспользуют микрофоны с экранировочными щитками, что повышает направленность ихдействия. Возбужденная в микрофоне электродвижущая сила передается вусилительно-преобразующий блок, который усиливает и преобразует шумовуюэлектродвижущую силу в напряжение постоянного тока. Величина напряженияпропорциональна этой частоте. Полученное таким образом напряжение подается наэлектронный автоматический потенциометр, измеряющий и регистрирующий величинунапряжения и, следовательно, заполнение мельницы материалом.
/>
Рис.4. Схемаавтоматического регулирования помола сырья в трубной шаровой мельнице.
Сигнал савтоматического потенциометра поступает на вход электронного регулирующегоприбора, управляющего исполнительным механизмом, который переставляет ножтарельчатого питателя. На ноже питателя установлен индукционный преобразовательрасхода сырья. Исполнительный механизм включается лишь тогда, когда величинарегулируемого параметра выходит за пределы зоны нечувствительности регулирующегоприбора. Поскольку при изменении размалываемое™ материала изменяется частоташума камеры, регулятор всякий раз уменьшает или увеличивает количествоматериала, поступающего в мельницу. Система автоматического регулированиязагрузки сырья устраняет перегрузку второй и третьей (а в четырехкамерноймельнице и четвертой) камер при подаче мелкого сырья и недогрузку этих камерпри подаче крупного сырья. В результате становится возможным иметь меньшийразброс значений тонкости помола шлама.
В основуавтоматического регулирования влажности шлама, выходящего из мельницы, положенпринцип поддержания определенного соотношения между частотой шума в зоне шлакообразованияи расходом воды, подаваемой в мельницу. Величину этого соотношения принимают,исходя, из необходимости обеспечить минимальные колебания влажности шлама.Принятое соотношение поддерживают автоматически электронным регулирующимприбором, на вход которого подается сигнал, пропорциональный уровню загрузкимельницы и плотности шлама в зоне шламообразования (под зоной шламообразованияподразумевают ту часть длины мельницы, где вся вода усвоена материалом, иперемещение водяного потока относительно материала практически отсутствует).Сигнал пропорциональный расходу воды, также подается на вход регулирующего прибора.Электронный регулирующий прибор получает также и сигнал от системыавтоматической коррекции, пропорциональный степени вязкости шлама. Указаннаясистема коррекции автоматически изменяет расход воды при отклонении вязкостишлама от заданной величины.
В схемеавтоматического регулирования влажности шлама, выходящего из мельницы,использован промежуточный каскад регулирования расхода воды по частоте шумавторой камеры. Микрофон, установленный вблизи обечайки мельницы у зонышламообразования против середины второй камеры, воспринимает частоту шума вэтой камере. В усилительно-преобразующем блоке э. д. с. микрофона усиливается ипреобразуется в напряжение постоянного тока, которое подается на входэлектронного автоматического потенциометра. Потенциометр измеряет ирегистрирует величину напряжения и косвенно загрузку второй камеры шламом, атакже его вязкость. С реостатного преобразователя автоматического потенциометрасигнал поступает на вход электронного регулирующего прибора, управляющегоисполнительным механизмом, который установлен на кране трубопровода.
Измерителемрасхода воды служит дифманометр. От него сигнал поступает на электронныйрегулирующий прибор, который и обеспечивает стабилизацию расхода воды взаданном объеме. Исполнительный механизм включается только тогда, когдавеличины регулируемых параметров — расход воды или шум — в зонешламообразования выходят за пределы нечувствительности регулирующего прибора.
При изменениичастоты шума в зоне шламообразования регулятор автоматически изменяет расходподаваемой в мельницу воды. При стабильном давлении в трубопроводе и достаточнолинейной характеристике крана обратную связь через расходомер заменяют жесткойобратной связью от исполнительного механизма, перемещающего кран. Если расходводы изменяется в результате изменения давления в водопроводной магистрали, торегулятор восстанавливает заданный расход воды.
При работерассмотренного каскада регулирования в качестве самостоятельного регуляторавлажности необходимо периодически изменять его задания, поскольку происходитпостоянный «уход» вязкости шлама от заданной величины. С этой целью в схемепредусмотрен каскад регулирования, состоящий из вискозиметра и регулирующегоприбора прерывистого действия. Такой регулятор при большом запаздывании иплавном изменении регулируемой величины (что наблюдают при применениипромежуточного каскада) позволяет улучшить динамическую характеристикурегулирования".
В последниегоды институт ВИАСМ проводит работы по созданию усовершенствованной системыуправления процессом мокрого помола сырья в мельницах при помощи УВМ. Для этойцели использована УВМ «Днепр-1». Она позволяет вводить информацию от релейныхчастотных, а также аналоговых преобразователей, обладающих унифицированнымвыходом 0–5 мА. В принятой схеме УВМ воздействуют на параметры настройкисистемы автоматизации, поддержания их оптимальными в соответствии с принятымалгоритмом управления. В связи с тем что с течением времени необходимокорректировать коэффициент передачи и задания системы регулирования из-за изменениясвойств подаваемого материала, перегрузки мельницы, уменьшения во временишаровой загрузки, с выходных устройств УВМ в систему регулирования подаютсякорректирующие сигналы. .
Управляющеевоздействие для изменения коэффициента передачи подается с аналогового выходаУВМ на вход автоматического, самопишущего потенциометра с реостатнымзадатчиком. Напряжение прямого сигнала электроакустического преобразователя,зависящее от положения реостатного задатчика автоматического потенциометра,суммируется с напряжением сигнала обратной связи по расходу регулируемогокомпонента (воды или материала) и с напряжением управляющего воздействия от УВМпо изменению задания. Суммарный сигнал поступает на вход регулируемого прибора.Основные преимущества этой схемы заключаются в том, что использованааппаратура, серийно выпускаемая промышленностью.
Контроль влажности материала
Одним изтехнологических параметров характеризующих режим мокрого способа производства,является влажность материала на выходе из цепной завесы. Она обусловливаетгранулометрический состав материала, скорость движения его в последующих зонах,интенсивность теплопередачи от газа к материалу, пылеунос из печи. Непрерывнаяинформация о влажности материала за цепной завесой необходима для опережающегоконтроля в системе управления печью.
Длятехнологических линий сухого способа производства важным параметром являетсястепень декарбонизации материала после запечных теплообменных устройств.Использование этого параметра позволит системе управления заранее воздействоватьв нужном направлении на подаваемое в декарбонизатор или печь топливо.
Контрольэтого параметра производится нейтронным методом, заключающимся в использованиизамедления нейтронов при их упругом рассеянии на ядрах атомов водорода(контроль влажности) или углерода {контроль степени декарбонизации). Нейтронныйметод положен в основу разработанного Гипроцементом и ВНИИРТом (Всесоюзнымнаучно-исследовательским институтом радиационной техники) нейтронного влагомераНИВА-2 (рис. 5).
/>
Рис.5 Нейтронный влагомерНИВА-2
Основуданного влагомера составляют детектирующее устройство (ДУ), устанавливаемое укорпуса печи, и электронно-измерительный блок.
Детектирующееустройство состоит из плутоний-берллиевого источника быстрых нейтронов свыходом порядка 105 нейтрон/с, четырех высокоэффективных гелиевыхсчетчик медленных нейтронов типа СИМ-18-1 и электронного блока усиления иформирования импульсов. Электронно-измерительный блок выключает в себяизмерительно-пересчетный блок (БИП), блок таймера (БТ), блок управления (БУ) иблок преобразований индикация (БПИ), с выхода которого сигнал поступает на входЭВМ и на вторичный прибор.
Пределыизмерения влажности, но шкале прибора 3—25 %, основная погрешность 1,5%.Устройство с 1977 г. эксплуатируется на трех печах Себряковского цементногозавода. В дальнейшем оно было усовершенствовано НПО Промавтоматика путемперевода электронно-измерительного блока на микросхемы и модернизации рядаустройств; оно получило название НИВА-2М. Применение его на Себряковском заводеи в ПО Акмянцементас дает экономический эффект в 8—10 тыс. руб. в год на одну печь.
Особенностями АСУТПпомола сырья являются:
алгоритмуправления процессом в переходных режимах, необходимый для вводатехнологического процесса в режим после пуска мельницы и подачи в нее сырья, атакже при длительных перебоях в его поступлении;
алгоритмыдиагностики ряда нарушений технологического процесса, таких как “завал”,“замазывание” и др.;
увеличениечисла и централизация сигналов технологических параметров — как дискретных, такианалоговых, и вывод их на дисплей и печать
возможностьиспользования в АСУТП более сложных законов регулирования;
оптимальноеуправление, гарантирующее лучшее качество управления процессом;
реализациянепосредственного цифрового управления (НЦУ) исполнительными механизмами,управляющими подачей сырья и воды в мельницу. Исходной информацией в АСУТПявляются дискретные сигналы о работе мельницы и вспомогательных механизмов,поступлении сырья в мельницу и др., а также аналоговые сигналы о расходе воды исырья, загрузке мельницы материалом, вязкости шлама, токе нагрузки и активноймощности главного привода.
Требованияк автоматизированным системам контроля и управления
/>
текущийконтроль технологических параметров;
обнаружениенарушений технологического процесса и аварийных ситуаций;
расчетсредних за определенныйпериод значений показателей работы мельницы, атакже среднеквадратичных отклонений;
регистрация иучет времени работы оборудования и перебоев в подаче сырья.
Уровеньзагрузки мельницы в зоне дробления, с помощью усилительно-преобразующего блокаУПБ1.
Уровеньзагрузки и состояния материала в зоне шламообразования с помощью УПБ2.
Вязкостьсырьевого шлама — ротационным вискозиметром РВ.
Расход воды — дифманометром ДМ.
Расходизвестняка — положение ножа исполнительного механизма ИМ., или положениеминдукционного датчика весов.
В системе управленияпроцессом реализован контур управления загрузкой мельницы сырьем и расходом водыпо косвенным переменным. В контуре управления расходом воды учитываютсяпоказания индикатора вязкости на выходе из мельницы, и осуществляетсясамонастройка этого контура.
Каскадуправления загрузкой сырьем и расходом воды по косвенным переменным(вибрационным сигналам) обеспечивает удовлетворительную компенсацию значительнойчасти высокочастотных возмущений. Каскад управления с использованиемпоказании индикатора вязкости шлама компенсирует низкочастотные возмущения, невоспринимаемые промежуточным сигналом.
На рисунке представленаблок-схема КТС АСУТП. На экран дисплея оператор может о любой момент вывестиинтересующую его информацию о любой мельнице; на печатающем устройстве в концесмены производится распечатка технико-экономических показателей работы системы иагрегатов цеха за 8 ч.
Для получениятаких положительных эффектов автоматическая система регулирования должнаудовлетворять следующим требованиям:
• Обеспечитьстатическую ошибку — не более 0,05 %.
• Максимальноеперерегулирование σ, – не более 10 %.
• Времярегулирования tр — не более 50 с.
• Времянарастания – не более 15 с.
• Запасустойчивости по амплитуде — не менее 10 дБ.
• Запасустойчивости по фазе — от 30 до 80 град.
Разделавтоматизации
Исходные данные к проекту:
1. Регулируемаявеличина: Влажность шлама.
2. Объектавтоматизации: Трубная шаровая мельница.
3. Исходные данныедля идентификации объекта автоматизации –dan(301:400)
4. Интервализмерения (время дискретизации) – ТS= 3 с.
5. Передаточныефункции:
• Датчика: Кg = 3.
• Регулируемогооргана: Кро = 0,03.
• Исполнительногомеханизма: />
Обоснованиепо выбору новой структуры модернизируемой системы автоматизации:
В исходную схему системыавтоматического регулирования влажности шлама в трубной шаровой мельницы мыдобавляем ПИД-регулятор для выполнения требований предъявленных к даннойсистеме.
Из общегопроцесса регулирования, выбираем контур регулирования влажность шлама.
На основефункциональной схемы контурарегулирования САР процесса регулирования влажностишлама в трубной шаровой мельнице, составим структурно-функциональнуюсхему, для определения автоматического регулятора, рис. 6 .
/>
Рис. 6.Структурно-функциональная схема контура регулирования САР процесса регулирования влажности шлама
На структурно-функциональной схемеприняты следующие обозначения:
Зад –задатчик влажности
Р – регулирующийорган
ИМ –исполнительный механизм
ТОУ –технологический объект управления
Т – датчиквлажности
Для анализа САР процесса регулированиявлажности шлама в трубной шаровой мельницы, составим алгоритмическуюсхему.
/>
Рис.7. Алгоритмическаясхема контура регулирования САР процесса регулированиявлажности шлама в трубной шаровой мельницы
Длябольшинства элементов системы автоматизации, математические модели статическихи динамических свойств известны:
Датчика: Кg = 3.
Регулируемогооргана: Кро = 0,03.
Исполнительногомеханизма: />
Из-занедостаточной изученности ТОУ, для получения его математической модели,воспользуемся статическими данными, полученными экспериментально, т.е. проведемидентификацию объекта автоматизации.
Идентификация объекта автоматизации
После проведенногоэксперимента в файле “data”хранятся 2000 значений переменных величин:
U – расход воды.
Y – влажность шлама.
Измеренных с временныминтервалом ts = 3 с
Объединим полученныеданные в единый файл данных “dan3”:
>> ts= 3
>>dan3 = iddata (y(301:400), u(301:400), ts)
Для наглядности данныхсформированного файла, обозначим переменные:
>>dan3.outputn = 'Влажноcтьшлама'
>> dan3.inputn ='Расход воды'
После чего, можнопосмотреть полную информацию о файле:
>> get(dan3)
Для графическихпредставлений данных можно воспользоваться командой:
>>plot(dan3)
Для дальнейшегоиспользования исходных данных необходимо провести предварительную обработкуэтих данных с целью удаления тренда из набора данных и, если необходимо,отфильтровать данные с помощью средств имеющихся в пакете SID, а также разделитьданные на две половины: dan3v и dan3e. Первая часть данных используется MATLABдля построения модели объекта, а вторая часть для проверки адекватностиполученной модели.
>> ident
Введем данные в GUI (Графический ИнтерфейсПользователя), выбрав позицию: Data→ Inport→ Iddataobject
Произведемпредварительную обработку данных выбрав кнопку Preprocess→ Quickstart
Параметрическоеоценивание эксперимента
Нажав клавишу “Estimate”, во вкладке “ParametricModels” выбираем модели параметрического оценивания.(Выбираем все модели)
Проверяем их наадекватность “dan3e”
Выбираем модель снаилучшими показателями адекватности (в моем случае это модель “arx443”)
Преобразованиемодели
Полученная модельпредставлена, в так называемом “θ-формате”, внутренним видом матричноймодели “Matlab”, и является дискретной.Преобразование модели сводится к тому, чтобы получить модели удобные дляиспользования в анализе и синтезе САР.
1. Преобразование из “θ-формата”,в векторы коэффициентов полиномов A(z) и B(z):
>> [A,B]=th2arx(arx443)
2. Для получениячислителя и знаменателя, воспользуемся командой:
>>[num,den]=th2tf(arx443)
3. Чтобы увидетьдискретную передаточную функцию, воспользуемся командой:
>>zdan3=tf(num,den, ts)
/>
4. Преобразуем дискретнуюмодель “θ-формата” в непрерывную:
>> sdan3 = thd2thc(arx443)
5. Получим передаточнуюфункцию непрерывной системы:
>>[n,d]=th2tf(sdan3)
>>sysdan3 = tf(n,d)
/>
Динамическиехарактеристики объекта
Переходнаяхарактеристика
/>
Рис.8. Переходная характеристика непрерывной и дискретной моделей
Установившееся значение –0,927
Время переходногопроцесса: Непрерывная модель – 45,3 с
Дискретная модель – 54 с
Время регулирования: Непрерывнаямодель – 25,8 с
Дискретная модель – 24 с
Частотнаяхарактеристика
Определим частотныехарактеристики с помощью команд “Matlab”:
>>bode(sysdan3)
/>
Рис.9. Частотныехарактеристики
>>[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(sysdan3)
где Gm– значение запаса устойчивости поамплитуде в натуральной величине на частоте Wcg
Pm– значение запаса устойчивости пофазе на частоте Wcp
Для перевода влогарифмический масштаб используем команду:
>> Gmlog= 20*log10(Gm)
Управляемостьи наблюдаемость
Для решения задач анализаи синтеза системы управления важно знать, является ли объект управляемым инаблюдаемым.
Объект называется вполнеуправляемым, если при любом управляющем воздействии его можно перевести ихкакого-то начального состояния в заранее заданное конечное состояние.
Чтобы объект был вполнеуправляемым, необходимо и достаточно, чтобы ранг матрицы управляемости равнялсяразмерности вектора состояния.
Для определенияуправляемости необходимо воспользоваться матрицами модели в пространствесостояния.
>>[A,B,C,D] = ssdata(sysdan3)
>> Mu= ctrb(A,B)
>> n= rank(Mu)
В нашем случае рангматрицы управляемости равен 4 и размерность вектора состояния равна 4.
ВЫВОД: объектуправляем
Наблюдаемость объектазаключается в возможности выяснить состояние объекта (вектора фазовыхкоординат) по измеренным значениям выходной переменной на некотором временноминтервале.
Объект называется вполненаблюдаемым, если по реакции на выходе объекта, можно определить начальноесостояние вектора переменных состояний являющихся фазовыми координатамиобъекта.
>> My= obsv(A,C)
>> m= rank(My)
В нашем случае рангматрицы наблюдаемости равен 4 и размерность вектора состояния равна 4.
ВЫВОД: объектнаблюдаем
Анализсистемы автоматизации процесса мокрого помола сырья в трубной шаровой мельнице довнедрения ПИД-регулятора
Составим САР влажностишлама в программе Simulink (рис.10).
/>
Была получена переходнаяхарактеристика (рис.11), из которой видно, что система не удовлетворяетпредъявленным к ней требованиям, а именно статическая ошибка более 96%, времянарастания 21,4 с вместо предъявленных 15с.
/>
Рис.11.Переходнаяхарактеристика САРавтоматизации процесса мокрого помола сырья в трубной шаровой мельнице довнедрения ПИД-регулятора.
Для выполнения предъявленныхтребований в исходную схему системы автоматического регулирования влажностишлама мы добавляем ПИД-регулятор и устанавливаем дополнительный датчиквлажности. С помощью данного регулятора и дополнительного датчика влажности, мыобеспечиваем заданную статистическую ошибку, время регулирования и нарастания,а также обеспечиваем необходимые запасы устойчивости по амплитуде и по фазе.
Анализсистемы автоматизациипроцесса мокрого помола сырья в трубной шаровой мельнице с ПИД-регулятора
Составим функциональнуюсхему с установленным дополнительный датчиком влажности.
/>
На основефункциональной схемы контурарегулирования САР процесса регулирования влажностишлама в трубной шаровой мельнице, составим структурно-функциональнуюсхему, для определения автоматического регулятора
/>
Структурно-функциональнаясхема контура регулирования САР процесса регулированиявлажности шлама.
Составим САР влажностишлама в трубной шаровой мельнице с ПИД-регулятором (рис.12 ).
/>
Рис.12. САР влажности шлама в трубной шаровоймельнице, с добавленным в нее ПИД-регулятором.
Коэффициенты усиления вПИД-регуляторе обозначим kp, ki и kd. В строке Matlab приравняем все эти коэффициенты единице. После запуска программы заходимв NCD блок и выставляем требуемые значения(рис.13 ):
Время регулирования – 50с
Максимальноеперерегулирование – не более 10%
Время нарастания – неболее 15 с
Статическая ошибка –менее 0,05%
/>
Рис.13. NCD блок с выставленными заданнымизначениями.
В меню Optimization выбираем Parameters, где задаем варьируемые величины – kp, ki и kd, атакже указываем время дискретизации – 3 с. Нажимаем кнопку Start. Программа начинает подиратькоэффициенты kp, ki и kdтаким образом, чтобы переходной процесс системы удовлетворял требованиям.
/>
Рис.14. NCD блок с оптимальным вариантомпереходного процесса.
В LTIViewer смотрим переходную характеристику(рис.15) и частотные характеристики (рис. 16 ).
/>
Рис.15. Переходнаяхарактеристика САР влажностишлама (с ПИД-регулятором)
/>
Рис.16.Амплитудно-частотная характеристика АСР влажности шлама
Из переходнойхарактеристики (рис.15) видно, что система удовлетворяет предъявленным к нейтребованиям:
Время нарастания – 14,9 с(в задании – не более 15 с)
Время регулирования –43,3 с (в задании – 50 с)
Максимальноеперерегулирование – 8,66% (в задании – не более 10%)
Статическая ошибка – 0 (взадании – менее 0,05%)
Из рис. определяем запасыустойчивости по амплитуде и по фазе:
∆L = 17,9 дБ
φ = 1150
Данные значения нас такжеустраивают. Для полной определенности системы в рабочей области Matlab смотрим значения коэффициентов kp, ki и kd:
kp = 19.043
ki = 2.8916
kd = 0.79524.
По годографу Найквиста(рис.17) также видно, что система устойчива.
/>
Рис.17. ГодографНайквиста
Заключение
Для заданной системыавтоматического регулирования влажности шлама в трубной шаровой мельнице примаксимальной производительности мы подобрали ПИД-регулятор, который помог намдобиться требуемого результата:
Время нарастания мыполучили равным 14,9 с (в задании – не более 15 с)
Время регулирования –43,3 с (в задании – 50 с)
Максимальноеперерегулирование – 8,66% (в задании – не более 10%)
Статическую ошибкуснизили до 0 (в задании – менее 0,05%)
Запас устойчивости поамплитуде равен 17,9 дБ
Запас устойчивости пофазе – 1150
Сравнив полученные данныес предъявленными требованиями к системе можно сделать вывод, что автоматизацияпроцесса мокрого помола сырья в трубной шаровой мельнице при максимальнойпроизводительности можно назвать успешной, так как полученная система полностьюудовлетворяет всем выдвинутым требованиям. Внедрение ПИД-регулятора можносчитать целесообразным, с его помощью удалось уложить систему в требуемыерамки.
Список используемой литературы
1. А.С. Боронихин, Ю.С. Гризак«Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы напредприятиях промышленности строительных материалов», 1974г.
2. И.Б.Гинзбург «Автоматическоерегулирование в промышленности строительных материалов», 1974г.
3. Н.Н.Иващенко «Автоматическоерегулирование», 1978г.
4. Трушин Ю.М. «Автоматизацияпроизводственных процессов в строительстве Бетона », 1980г.
5. Воробьев В.А. « Автоматизациятехнологических процессов и производств в строительстве », 1989 г.
6. Артамонов К.В. « Автоматизациятехнологических процессов в промышленности строительных материалов», 1977г.