СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Основная часть
1.1 Технологический процесс получениясернистого ангидрида при производстве серной кислоты
1.1.1 Таблица режимных и рецептурныхпараметров
1.1.2 Характеристики основного оборудования
2 Описание функциональной схемыавтоматизации
3 Синтез и анализ автоматическойсистемы регулирования температуры
3.1 Обзор и выбор методов измерениятемпературы сернистого ангидрида
3.2 Получение и математическогоописания объекта
4 Расчёт надёжности
5 Обоснование выбора средств автоматизации
Заключение
Список используемой литературы
ВВЕДЕНИЕ
Автоматизация – одна изведущих отраслей науки и техники, развивается особенно динамично, она проникаетво все сферы человеческой деятельности. Автоматизация качественно изменяет характертруда рабочих. В цехах с автоматизированным производством главной фигуройстановится специалист новой формации – оператор, программист, рабочие других,ранее не существовавших профессий.
В течении рядадесятилетий под автоматикой подразумевалось прежде всего выполнение без участиячеловека, некоторых действий, однозначно связывающих причину и следствие.
Сущность современногоэтапа развития автоматизации можно было бы кратко охарактеризовать как переходот автоматизации« действий» к автоматизации « принятия решений», то есть переходот так называемой цикловой ( обеспечивающей выполнение повторяющихся действий) автоматикии автоматической стабилизации технологического режима к использованию средств,обеспечивающих оптимизацию процессов, к осуществлению органической связиосновного производственного оборудования с автоматикой.
В каждом производственномпроцессе, наряду с «вещественными потоками», существуют совершенно другиепотоки, которые называют «информационными». Они представляют собой некоторую первичнуюинформацию о ходе производственного процесса и кодами для контроля иуправления. Эта информация передаст и на соответствующие пункты управления ( операторская,диспетчерская), где подвергаются обработке и используются при принятиях решенийпри управлении процессом.
Автоматическоерегулирование технологических процессов на различных предприятиях позволяетполучить высокую производительность при наименьших производственных затратах ивысоком качестве продуктов. Однако системы автоматического регулированияоказывается недостаточно эффективными, если они спроектированы только наосновании общих положений теорем автоматического регулирования. Для наиболееэффективной работы таких систем их необходимо проектировать с учетом особенностейтехнологических процессов, для которых они предназначены.
Довольно часто системы,автоматически разработанные непосредственно на предприятиях, работают вполнеудовлетворительно. Это указывает, с одной стороны — на то, что успешноепроектирование систем автоматики иногда выполняется без применения оченьсложного материального аппарата. Такое положение объясняется наличием простыхправил установки и наладки автоматических регуляторов.
В настоящее время рядомучёных в различных лабораториях и университетах создано более прогрессивныепринципы проектирования систем автоматического регулирования. Однакопредлагаемые ими методы обычно не реализуются полностью, если в разработкесистем не участвуют люди, которые должны их эксплуатировать. Проблемы,связанные с автоматическим регулированием технологических процессов, какправило, возникают на заводе, поэтому должны решатся на самом заводе. До техпор, пока проектировщики систем автоматического регулирования и эксплуатационникине будут связаны между собой, их общие проблемы останутся не решенными. Несмотря на то, что решения задач автоматического регулирования возможноматематическим методом, эти же задачи приближенно могут быть решены путемдовольно не сложных приемов. Таким образом, управление высокого порядкабыстродействующие вычислительные машины целесообразно применять лишь там, гдеболее простыми методами решить задачи не удается.
Блестяще разработанныеобщие положения о системах автоматического регулирования, а так жематематическое описание процесса регулирование сами по себе никакой ценности непредставляли. Системы автоматического регулирования должны учитывать свойстватехнологического процесса с целью обеспечения оптимального протекания процесса.
Из глубоко знаниятехнологического процесса, система регулирования не может быть спроектированаквалифицировано. Для автоматического регулирования необходимо максимально знатьтребования, предъявляемые различным химико-технологическим процессом.
1.Основная часть
1.1 Технологическийпроцесс получение серного ангидрида при получении серной кислоты.
Производство сернойкислоты контактным способом состоит из следующих действий:
1. Разгрузка,складирование и подготовка сырья к обжигу, обжиг серы.
2. Утилизация теплаобжига.
3. Мокрая очисткаобжиговых газов.
4. Сушка газов.
5. Окислениесернистого ангидрида на ванадиевом катализаторе.
6. Абсорбция серногоангидрида.
7. Складирование итранспорт кислоты.
8. очистка отходящихгазов серно- кислого производства.
9. Разложение солей сулит- бисульфита аммония последующей нейтрализацией сульфида аммония.
Сырьем для производствасерной кислоты контактным способом является комовая сера, поступающая напредприятия железнодорожных полувагонов.
Полувагоны с комовойсерой подаются тепловозам на повышенный путь. Выгруженная сера убираетсяштабеля склада грейферным краном (поз. 12). Освобожденные от серы полувагоныподаются маневровым устройством (поз. 13) на участок промывки вагонов.
Из склада под навесомсера погружается грейферным краном (поз. 12) в бункер (поз. 1б) с решеткой 100– 100 мм далее ленточным конвейером (поз. 2б, 8а, 21), подается в приемныебункера (поз. 23), печного отделения. Над конвейером (поз.2б) установленаэлектромагнитная шайба для удаления
металлических предметов.
Описанная схема подачисеры печное отделение является основной. В аварийной ситуации, при длительномремонте грейферного крана подача серы в печное отделение осуществляется постарой схеме. Из штабеля склада комовая сера грейферным экскаватором грузится вавто машины и перевозится к бункеру (поз. 1а), загружается в него с решеткой100 – 100мм и далее по транспортерной линии, состоящей из системы ленточных ивинтовых конвейеров (поз. 2а, 3а, 8а, 21) подается в приемные бункера (поз.23).
Внутренняя поверхностьбункеров (поз 1а, 1б, 23) обложена дюралюминием для исключенияискрообразования. С целью гарантированного смачивания серы при транспортировкеи пересыпке на трубопроводах воды (поз. 3а) установлены струйные реле потокатипа РС2 – ЦНИ11. Подача воды на орошение серы в бункерах производитсяавтоматически от реле протока.
Для устранения пылениясеры производится ее увлажнение. Схема увлажнения состоит из цилиндрическойёмкости V = 2м3 (поз.113) в машинном залеотделения обжига, водяного насоса (поз. 114) и системами трубопроводов сотводами по которым вода проходит замкнутый цикл: от ёмкости машинного залаподнимается до отметки +15м, проходит вдоль питателей (поз. 24), около бункера(поз. 24/20) поднимается до отметки +19м, проходит по галерее вдоль ленточноготранспортёра (поз. 2а), поднимается на эстакаду возле бункера (поз.1а) ивозвращается в емкость.
Летом при загрузке серы вбункера (поз.1а,1б) производится постоянное увлажнение мелкодисперсной водой; восеннее – зимний период, когда производится естественное увлажнение серы –периодически, при содержании влаги в сере менее 1%.
В ёмкость (поз. 113)поступает вода после охлаждения подшипников нагнетателей Э – 400 – 12(поз.102). В случае недостаточного количества
отработанной водыиспользуется техническая вода, которая подаётся дополнительным насосом (поз.114а) В ёмкости предусмотрено автоматическое регулирование воды. Излишкиводы отводятся в водооборотный цикл. В аварийных ситуациях излишки воды впромывно — ливневую канализацию.
Днищем бункера (поз.23)является ленточный питатель (поз.24), который подаёт серу в печь (поз.101).Движение газов в печи происходит под действием разрежения, создаваемогонагнетателем Э – 1700 – 2 (поз.402), расположенного в кислотном отделении. Подгазораспределительную решётку печи воздуходувкой Э – 400 – 12 (поз.102)подаётся атмосферный воздух. Регулирование подачи серы в печь производитсяизменением скорости движения ленты питателя с помощью двигателя постоянноготока с переменным числом оборотов.
Распределение продукта попечам осуществляется с помощью задвижек, установленных непосредственнопередвижной печью.
Количество подаваемогопродукта регулируется путем поддержания разряжения перед дымососом ДН- 17 НЖ .
Один дымосос подает газ вобщий коллектор для печей 1, 2, 3; второй- в коллектор для печей № 4, 5;третий в коллектор для печей № 6- 10.
Для разогрева печиустановлены 2 форсунки (поз. 103), работающие на дизельном топливе, котороеподается по трубопроводам насосом из емкости склада ГСМ. Распыление дизельноготоплива в форсунках происходит сжатым воздухом давление 200-300 кПа своздушного коллектора.
Печь разогреваетсядизельным топливом до 100С. При достижении этой температуры начинается загрузкасеры в печь. После возгорания серы форсунки гасятся и дальнейший прогрев поступающейсеры происходит теплом, выделяемого горящей серы. Процесс горения серыпротекает по реакции:
S + O2 = SO2 + Q кал.
В печи незначительнаячасть сернистого ангидрида окисляется в серный по реакции:
2SO2 + O2 = 2SO3
Содержание серногоангидрида в обжиговом газе составляет 0.1- 0.4 % объемных газ выходящий из печис температурой 750- 1050С, поступает на охлаждение в котлы утилизаторы типаВТКУ-13/40 и ГТКУ -10/40 (поз. 104) соответственно с естественной циркуляцией,где охлаждается до 300 – 450С. Котлы – утилизаторы питаются химическиотчищенной водой. Химически отчищенная вода поступает в печное отделение изкотельного цеха с температурой 20 – 30С. Далее поступает в деаэратор (поз.106), в котором происходит выделение из нее кислорода и углекислого газа. Издеаэратора (поз. 106) насоса (поз. 105) питательная вода подается в барабаныкотлов- утилизаторов (поз. 104). Барабан имеет сепарирующее устройство длянепрерывной продувки котла. Нормальный уровень воды в барабане находится по осибарабана непрерывная и периодическая продувки котлов служат для поддержаниянормального водно- химического режима котлов.
Котловая вода непрерывнапродувки котлов поступает в сепаратор, в котором происходит отделение пара отводы за счет расширения котловой воды. Пар поступает в деаэраторы, водасливается в барбатеры. Котловая вода периодической продувки поступает вбарбатер, где охлаждается технической водой и сливается в канализацию.Вырабатываемый котлами- утилизаторами пар с температурой 249С под давлением 3.9МПа подается на
Таблица 1
Нормы технологическогорежима Что контролирует Частота и способ контроля Нормы и технологические показатели кто контролирует 1 2 3 4 5 Расход серы Непрерывно по счётчику 28 – 32 т/ч Транспортировщик Массовая доля серы От каждой партии н/м 99,2% Лаборант Давление воздуха под решётку Непрерывно по прибору До 16 кПа (1600 мм водяного столба) Аппаратчик обжига Общий расход воздуха на печь Непрерывно по прибору 17 – 25 тыс. мз/час. Аппаратчик обжига Температура скольжения подшипника нагнетателя Э- 400 Непрерывно по прибору Не более 70С Машинист Г/машин Температура подшипника качания нагнетателя Э- 400 Непрерывно по прибору Не более 80С Машинист Г/машин Температура газа на выходе из печи Непрерывно по прибору 850 – 1050 С Аппаратчик обжига Разряжение газа на выходе из печи Непрерывно по прибору 100 – 300 С Аппаратчик обжига Содержание SO2 в газе на выходе из печи Непрерывно по прибору 11,5 – 12% Аппаратчик обжига Содержание SO2 в газе на выходе из печи Аналитически 11,5 – 12% Лаборант Температура газа на выходе котла — утилизатора Непрерывно по прибору 300 – 450 С Аппаратчик обжига по обслуживанию к-у Разряжение газа на выходе к-у Непрерывно по прибору — 800 – 1300 Па Аппаратчик обжига по обслуживанию к-у Расход пара после к-у ГТКУ 13/40 Непрерывно по прибору н/б 7,5 т/ч Аппаратчик обжига по обслуживанию к-у Расход пара после к-у ГТКУ 13/40 Непрерывно по прибору н/м 6,5 т/ч Аппаратчик обжига по обслуживанию к-у Давление пара в паропрводе после к-у Непрерывно по прибору До 39 МПа Аппаратчик обжига по обслуживанию к-у Давление пара в барабане к-у Непрерывно по прибору До 39 МПа Аппаратчик обжига по обслуживанию к-у Температура в паропрводе после к-у Непрерывно по прибору Не менее 249 С Аппаратчик обжига по обслуживанию к-у Температура питательной воды По термометру раз в сутки 100 – 104 С Аппаратчик обжига по обслуживанию к-у Жёсткость питательной воды раз в сутки н/б 15мг экв/л Лаборант Углекислота раз в сутки н/б 0,02 мг/л Лаборант Кислород раз в сутки н/б 8,5% при Т=25 С Лаборант Прозрачность раз в сутки н/б 0,3мг экв/л Лаборант РН, щелочность раз в сутки 7 – 8, 0,03 мг Лаборант Пар на выходе к – у щелочность раз в сутки н/б 0,03мг экв/л Лаборант солесодержание раз в сутки н/б 0,03мг экв/л Лаборант
1.1.2. Характеристикиосновного оборудования
1. Печь обжига серы, поз.106
Печь имеет цилиндрическуюформу с расширением в верхней части. Общий объем печи 222мз. Конус шахты печистальной, внутри футерован огнеупорным кирпичом. Днище в четырёх секторахзалито огнеупорным бетоном, в двух секторах, примыкающим к загрузчикам серы,находятся целевые сопла, через которые подаётся воздух. В центре свода печи находитсягазоход, отводящий обжиговый газ в котёл утилизатор. Печь внешней части имеетдиаметр 4,75 м, в верхней части (сепарационное пространство) – 6,2м.Производительность печи до 4 т. Серы в час.
2. Котёл – утилизаторГТКУ – 13/40, ГТКУ – 10/40, поз. 104.
Котёл – утилизатороснащен естественной циркуляцией, футерован шамотным кирпичом, теплоизолированминеральной ватой. Котёл состоит из газотрубных секций и барабана. Охлаждениегаза происходит в 24 испарительных секциях котла ГТКУ – 13/40 и 15испарительных секциях котла ГТКУ – 10/40. Газотрубная секция состоит из двухколлекторов (входного и выходного), соединённых по воде вертикальными трубками.Вертикальные трубки двойные (труба в трубе). Через внутреннюю трубу диаметром102*6 мм проходит обжиговый газ, в межтрубном пространстве — паровая эмульсия.Пройдя газотрубные секции, обжиговый газ — имеет направление снизу, вверх пофутерованному газоходу, направляется на мокрую очистку. Барабан котла –горизонтальный цилиндр V=12мз, оборудован четырьмя водоуказательными колоннами, люком, штуцерами дляподвода питательной воды, отвода пара, установки манометра, подключенияприборов для замера уровня и давления.
Пар из барабанасобирается в коллектор и с температурой 249 С отводится по трубопроводудиаметром 108*4 мм к общему паропроводу диаметром 159*7 мм. Низко расположенныечасти трубопроводов котла и
барабана имеют штуцера с арматурой,служащей для периодического вывода из циркуляционной системы котла (продувки),котловая вода с большим содержанием солей из барабана котла по трубопроводунепрерывной продувки через регулирующий игольчатый вентиль поступает всепаратор непрерывной продувки.
3. Сепаратор непрерывнойпродувки.
Представляет собойцилиндрический сосуд емкостью 1.5М3. Вверхней части имеет жалюзийное устройство для удаления пара из капель воды.Рабочее давление 700кПа. Пари из сепаратора используется на собственные нужды.
4. Деаэратор, (поз. 106).
Состоит из деаэраторнойколонки производительностью 100т/час и аккумуляторного бака емкостью 500М3. Деаэраторная колонка – вертикальный цилиндр диаметром1500мм и высотой 2000мм, приварен к аккумуляторному баку. Внутри колонкирасположено водораспределительное устройство, в которое подается химическиотчищенная вода. Пар поступает через парораспределительное устройство в низуколонки. Поднимаясь вверх, он нагревает поступающую в деаэратор воду, сам приэтом конденсируется. Деаэраторная вода собирается в аккумуляторном баке,горизонтальном цилиндрическом сосуде 3250* 8170* 8мм.
5. Сборник конденсата.
Это горизонтальныйцилиндрический сосуд емкостью 40М3,теплоизолирован минеральной ватой.
6. Насос перегонкиконденсата типа 3к – 9.
Центробежный, консольный,одноступенчатый, с горизонтальным осевым подводом жидкости. Производительность- 45М3/час, напор 31м водяного столба.
7. Емкость для хранениядизельного топлива.
Горизонтальный цилиндрическийсосуд диаметром 2700мм, длина – 10875мм, V= 50, 67мз
8.Насос самовсасывающий –предназначен для подачи дизельного топлива на технологические нужды.Производительность 20мз/час, напор 24м водяного столба.
Питательные насосы – двухтипов: отечественный ПЭ – 65 – 56 и насос польского производства 80VS8.
Насос ПЭ – 65 – 56центробежный, секционный, горизонтальный, однокорпусный, 8 – ступенчатый;производительность 65 мз/час, напор 580 м водяного столба.
Насос 80VS8 – лопастной многоступенчатый споследовательно расположенными одноструйными радиальными рабочими колёсами.Марка насоса обозначает: 8 – ступенчатый насос с диаметром штуцера нагнетания80 мм.
10.Дымосос CHS – 100, поз. 110.
Производительность 100000мз/час. Напор 200 м водяного столба.
11.Воздуходувки типа Э –400 12 – 2м, Э – 400 12 – 3, поз. 102. Имеет привод от электродвигателя 250 кВтсо скоростью вращения 2940 об./мин., напором 1900мм водяного столба. Корпусизготовлен из чугуна, ротор из высококачественной стали.
12. Бункера серы 1а, 1б,23 – стальные, внутри обложены дюралюминием, для исключения искрообразования. V=15 мз.Оснащены форсунками для смачивания серы. Бункера 1а, 1б оборудованы решеткой100*100 мм.
13. Ленточныетранспортеры; поз. 2а – длина 18,7м; поз 2б – 10м; поз. 8а – длина 140м; поз.21 – длина 140 м; поз. 24 – ленточный питатель.
Все транспортёры оснащенылентой 2РШ – 800 – 4. винтовой конвейер поз. 3а – длина 5м. Транспортёрыограждены по всей длине, включая барабаны.
14. Грейферный кран поз.12. Грузоподъёмность — 16 т, пролет — 28,5 м, емкость грейфера – 3м3.
N1- 70кВт, n = 735 oб/мин.
N2- 10кВт, n = 945 oб/мин.
N3- 35кВт, n = 730 oб/мин.
15. Маневровое устройство(поз. 13) скорость движения 0.14м/сек или 0.5 км/час, N = 7.5кВт, n =1000
2.Описание функциональнойсхемы автоматизации.
Для автоматическогоподдержания и контроля режимов работы печи обжига серы необходимо ее оснаститьконтрольно измерительной аппаратурой и автоматикой:
— измерительные(первичные) приборы;
— преобразователи вунифицированный электрический сигнал;
— микроконтроллер;
— магнитные реверсивныепускатели;
— исполнительныемеханизмы.
Система регулированияпредусматривает:
— дистанционноеуправление каждым регулирующим органом;
— автоматическоеподдержание заданных технологических параметров;
— ручное изменениезаданий.
Система автоматизациипроцесса получения серного ангидрида предусматривает следующие контурауправления:
— поддержание температурывыходящего газа на уровне 1050С;
— поддержание расходавоздуха.
Входным параметромучастка обжига серы является количество серы подаваемой ленточным транспортером(поз. 24) в печь (поз. 101). В печи серы сгорает, выделяя газ SO2, и теплоту Q. Таккак температура выходящего газа из печи недолжна превышать 1055С выбираетсядатчик термопара «ТХА -8». В связи с тем что значение температуры необходимоввести в
микроконтроллер необходимнормирующий преобразователь «БУТ- 10». На выходе нормирующего преобразователя унифицированныйтоковый сигнал (от 0 до 5 мА). Выходной сигнал преобразователя непосредственнопередается на вход микроконтроллера. Информация о температуре выходящегосерного ангидрида микроконтроллером сравнивается с заданием, микроконтроллеризменяет значение токового выхода (от 0 до 5мА) поступающего на вход магнитногоусилителя. В свою очередь магнитный усилитель преобразует входной сигнал. Впостоянное напряжение, поступающее на якорную цепь двигателя постоянного тока.При изменении входного сигнала (от 0 до 5 мА) изменяются обороты двигателя (от30 до 500об/мин). Двигатель через редуктор соединен с ленточным транспортером,подающим серу в печь, таким образом температура выходящего газа при постоянномпотоке воздуха зависит от количества поступающей серы в печь.
Для оптимальногопротекания технологического процесса обжига серного ангидрида, необходимоподдержания серы в печи в взвешенном состояния в ходе окисления серы, поэтомунеобходимо поддерживать постоянную разность давлений на входе и выходе из печи(поз. 101); создаваемый перепад давлений воздуха комовой серы находящейся вовзвешенном состоянии при прохождении нагнетаемого воздуходувкой (поз. 102),воздушного потока подается на преобразователь «Сапфир 22 ДД». Его выходнойсигнал (электрический унифицированный сигнал (от 0 до 5 мА)) поступает на входмикроконтроллера, текущее значение перепада давления, создаваемого, «кипящем»слоем комовой серы микроконтроллер сравнивает с заданием. Если значениеперепада давления неровно заданному, микроконтроллер изменяет значениевыходного значения, поступающего на электропневматический преобразователь «ЭП– 3211». В свою очередь изменяется выходное значение давления на выходеэлектропневматического преобразователя «ЭП – 3211» подаваемого напневматический
исполнительный механизм«ПСПТ – 1». ОН установлен на воздуховоде по которому в печь поступаетатмосферный воздух. Изменение значения давления на входе «ПЕП – Т – 1» приведетизменения положения регулирующего органа (шибера) и как следствие изменяетсярасход воздуха. В следствии того будет скомпенсировано отклонение перепададавления в печи от задания.
Так же для полнойинформации об объекте необходимо, ввести в микроконтроллер текущее значениерасхода воздуха подаваемого на окисление в печь обжига серы. Для этого навоздуховоде, по которому подается атмосферный воздух, установлен датчикдиафрагма: «ДБ 2.5 – 500». Создаваемый перепад давления диафрагмы припрохождении воздушного потока подается на дифманометр «Сапфир – 22ДД». Еговыходной электрически унифицированный сигнал поступает в микроконтроллер, гденапоминается и передается через стандартный модем на центральную электронно — вычислительную машину, где текущее значение регистрируется и отображается намониторе.
При работе воздуходувки(поз. 102), происходит нагрев подшипников скольжения. Превышение температурымасла, подаваемого под давлением в подшипники скольжении, выше 80С можетпривести к выходу из строя привода воздуходувки.
3. Синтез и анализавтоматической системы регулирования температуры.
Процессы химическойтехнологии (при рассмотрении её с точки зрения задач управления) обычнопредоставляют в виде динамических систем, поведение которых во времениопределения текущими значениями ряда характерных величин – расходов,протекающих через аппараты, веществ их температуры, давления концентрации ит.д. При нормальном протекании процесса эти величины имеют определённые, такназываемые количественные значения. В силу ряда внешних причин (изменениесостава и расходов и др.) или явлений протекающих в самом аппарате, указанныевеличины могут отклоняться от номинальных значений. Это приводит к нарушениюпроцесса, снижению количества и качества продукции, интенсивному износуоборудования. Чтобы процесс протекал нормально им необходимо управлять.Управление – целенаправленное воздействие на объект, которое обеспечивает его оптимальноефункционирование и количественно оценивается величиной критерия качества.Критерии могут иметь технологическую или экономическую природу.
Различают величинывходные и выходные. Под входными величинами понимают: изменение расходавещества, его состава количества подаваемого тепла, количества подаваемоготепла и т.д. к выходным величинам относятся: температура вещества,концентрация, влажность и д.р. Состояние объекта в каждый момент времениопределяется значениями его выходных величин.
Во время работы выходныевеличины отклоняются от заданных значений под действием возмущений, иполучается рассогласование между текущими и заданными значениями выходныхвеличин объекта. Если при наличии возмущений объект самостоятельно обеспечиваетнормальное функционирование, то есть самостоятельно устраняет возмущающеерассогласование выходной величины, то он не нуждается в управлении. Если
же объект не обеспечиваетвыполнение условий нормальной работы, то для нейтрализации влияния возмущенийна него оказывается управляющее воздействие (изменение с помощьюисполнительного устройства), таким образом, в процессе управления на объектнаносятся управляющие воздействия, которые компенсируют возмущения иобеспечивают поддержание нормального режима его работы.
Управление может бытьручным или автоматическим. Ручное или автоматическое воздействия на химико –технологический объект через через исполнительное устройство осуществляетоператор, наблюдающий за ходом процесса или автоматический регулятор. Операторследит за отклонениями режима работы объекта от требуемого и, в зависимости отэтого отклонения воздействует на исполнительное устройство таким образом, чтобыпроцесс удовлетворял заданным условиям. При автоматическом управлении,воздействие на объект осуществляется специальным автоматическим устройством взамкнутом контуре; такое соединение элементов образует автоматическую системууправления. Частным случаем управления является регулирование. Регулированиемназывается поддержание выходных величин объекта вблизи требуемых постоянныхили переменных значений с целью обеспечения нормального режима его работыпосредством подачи на объект управляющих воздействий.
Учитывая достоинства инедостатки рассмотренных систем автоматического регулирования и свойстваобъекта (большёе запаздывание, входные возмущающие воздействия разнообразны ине значительны по отдельности) выбирается система автоматического регулированияпо заданию. Управляющим воздействием будет изменение расхода серы подаваемой наокисление в печь обжига серы. Возмущающими воздействиями для данного объектаявляется:
- атмосферное давление;
- влажность окружающеговозраста;
- влажность серы;
- фракции комовой серынеоднородны;
- нестабильность частотывращения редуктора ленточного транспортёра.
3.1.Обзор и выбор методовизмерения температуры сернистого ангидрида.
В устройствах дляизмерения температуры обычно используют изменение какого - либо физическогосвойства тела, однозначно зависящего от его температуры и легко поддающегосяизмерению. К числу свойств, положенных в основу работы прибора для измерениятемпературы, относятся объемное расширение тел, изменение давления вещества взамкнутом объеме, возникновение термоэлектродвижущей силы, изменениеэлектрического сопротивления проводников и полупроводников, интенсивность излучениянагретых тел и др.
При измерениитемпературы используют две шкалы: термодинамическую, основанную на второмзаконе термодинамики и международную практическую (МПТШ — 68).
В термодинамической шкалетемпературу обозначают символом Т и выражают в Кельвинах (К). Единицейизмерения температуры (t) вмеждународной практической шкале служит градус (С), 1С = 1К.
Количественно температурав термодинамической и международной практической шкалах взято отношением:
Т(К)=t(C)+273,15
Температуру измеряют спомощью термометров. В зависимости от физических свойств, на которых основанодействие приборов для измерения
температуры различают:манометрические термометры, термометры расширения, термоэлектрическиетермометры, термометры сопротивления и пирометры излучения.
Термометры расширенияпостроены на принципе изменения объема жидкости (жидкостных) или линейныхразмеров твёрдых тел при изменении температуры.
Действие жидкостныхтермометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрическоговещества (ртуть или спирт) и оболочки, в которой оно находится (термометрическоестекло или кварц). Такие термометры применяются для местных измерений впределах от – 190 до 600 С. Их основные достоинства – простота и высокаяточность измерения, недостатки – невозможность ремонта, отсутствиеавтоматической записи и передачи показаний на расстояние.
Работа биметаллических термометров основана на различии коэффициентов теплового расширения твёрдыхтел, из которых выполнены чувствительные элементы (Пластина или спиральнаялента, состоящая из двух слоёв разнородных металлов).Пределы измерения такихтермометров от -150 до +700 С. Они используются в качестве измерительныхпреобразователей автоматических систем регулирования.
Действия манометрическихтермометров основано на изменении давления жидкости (жидкостные),парожидкостные смеси (конденсационные), или газа (газовые), находящиеся взамкнутом объеме, при изменении температуры. Они состоят из чувствительногоэлемента (термобаллон), соединительного капилляра и вторичного прибора –манометра. Класс точности манометрических термометров 1,0 – 2,5. Онииспользуются для дистанционного (до 60 м) измерение температур в пределах от – 160 до +600 С. К достоинствам относится простота конструкции, обслуживания,возможность дистанционного измерения и автоматической записи показаний, кнедостаткам – невысокая точность
измерений, небольшоерасстояние дистанционной передачи показаний.
Термоэлектрическиеманометры состоят из электрического преобразователя (термопары) действиекоторого основано на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы (ТЭДС)термопары от температуры рабочего спая, если температура свободного спаяпостоянна, и вторичного прибора. При увеличении разности температур междурабочим и свободным спаями термопары величина ТЭДС возрастает. Наибольшеераспространение получили следующие типы термоэлектрических преобразователей.
Таблицатермоэлектрических преобразователей и их характеристикиТип преобразователя Пределы измерений Платинородий – платина ТПР 300 – 1600 С Платинородий – платина ТПП 0 – 1300 С Хромель – алюм. ТХА — 50 — +1100 С Хромель – капелевые ТХК -50 — + 600 С Вольфрам – рений – вольфрамрениевые ТВР До 1800 С — // - при кратковременном применении До 2500 С
Для измерения ТЭДС вкачестве вторичных приборов обычно применяют потенциометры или милливольтметры.В комплексе с ними термоэлектрические термометры позволяют измерять ирегистрировать температуру с высокой точностью и передавать информацию нарасстояние.
Термометры сопротивлениясостоят из термопреобразователя сопротивления, действие которого основано наиспользовании зависимости электрического сопротивления проводников илиполупроводников от температуры и вторичного прибора. Изготавливаютсяметаллические и полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы).
Таблица термометровсопротивления и их характеристики.Градуировка Предел измерений ТСП гр.20 0 – 650 ТСП гр.21 и гр.22 — 220 — + 500 ТСМ гр.23 и гр.24 — 50 — + 180
В качестве вторичныхприборов в комплексе с термометрами сопротивления обычно применяют мосты илогометры.
Полупроводниковыетермометры сопротивления изготавливаются из окислов различных металлов сдобавками и используются для измерения температур в пределах от – 90 до + 180С. В отличие от металлических термопар в этих в этих термопарах происходитэкспотенциальное уменьшение сопротивления при увеличении температуры, благодарячему они обладают высокой чувствительностью. Однако их градуировка индивидуальна.Их используют в качестве чувствительных элементов различных автоматическихустройств.
Действие пирометровизлучения основано на измерении интенсивности излучения нагретых тел приизменении температуры. К ним относятся: оптические пирометры (предел измеренийот 700 до 6000 С); пирометры полного излучения (от 100 до 2500 С); пирометрыспектрального излучения (цветовые) – от 1400 до 2800 С.
При измерении пирометрамичастичного или полного излучения необходимо вводить поправку по неполномуизлучению тела, температура которого измеряется (погрешность 0,5 – 2,5%).
В химическихпроизводствах наибольшее распространение получили термометры расширения, термоэлектрическиетермометры и термометры сопротивления, они обладают большей точностью и меньшимвременем запаздывания.
Для измерениятемпературы газо – воздушной смеси на выходе из печи обжига серы наиболееоптимальным вариантом измерения является термоэлектрический преобразователь(термопара «ТХА 8». Выбор обусловлен значением измеряемого диапазона (600 – 1055С), т.к. для термоэлектрических преобразователей верхний предел диапазонаизмерений значительно выше (600 – 2500 С).
3.2.Получениематематического описания объекта.
Математический объектможно описать несколькими методами – аналитический, экспериментальный, ианалитически – экспериментальный.
Аналитический метод –заключается в составлении математического описания объекта, при котором находятуправление статики и динамики на основе теоретического синтеза физических ихимических процессов, протекающих объектах, и с учётом конструкции аппаратуры ихарактеристики перерабатываемых веществ. При выводе этих уравнений используютсяфундаментальные законы сохранения вещества и энергии, закономерность процессовхимических превращений, переноса теплоты и массы. Аналитический метод позволяетпрогнозировать работу объектов в статическом и динамическом режимах, однаковозникают трудности с решением и анализом составляемых уравнений и требуетспециальных численных значений коэффициентов этих уравнений. Точность математическогоописания объектов (реакций) в большей степени зависит от сведений упрощающихдопущению.
Экспериментальный метод –состоит в определении характеристик реального объекта путём постановки специального эксперимента. Метод достаточно прост, позволяет достаточно простоопределить свойства конкретного объекта. Вместе с тем он требует оснащениеизучаемого объекта экспериментальной аппаратурой и проведения специальныхисследований. Этот метод не позволяет распространить на другие однотипныеобъекты результаты исследования, полученные экспериментальным методом.
Экспериментально –аналитический метод – является комбинацией аналитического и экспериментальногоспособов определения свойств объектов, этот метод учитывает их преимущество инедостатки.
В инженерской практикесвойства промышленных объектов найденные аналитическим методом используетсяредко. Объясняется это большими теоретическими расчетами, а так же а так женеопределенным выбором базисных параметров и возмущающих воздействийтехнологических процессов. Наиболее предпочтительным в этом вопросе являетсяэкспериментальный метод определения свойств объекта. С этой цельютехнологический объект оснащают аппаратурой для нанесения ступенчатого входноговозмущения и определения его ответной реакции во времени.
Синтез кривой разгона иее аппроксимация.
Методика снятия кривойразгона предусматривает: клонирование и подготовку эксперимента, проведения егос целью определения временных характеристик.
Снятия временныххарактеристик проводят на реальном объекте, оснащенном аппаратурой в соответствиисо схемой приведенной на рисунке./>
Структурная схема системразгона кривой объекта.
1 – ПО – пульт оператора.
2 – МУ – магнитныйусилитель.
3 – Дв – двигатель.
4 – Г – генератор.
5 – ВП 1 – вторичныйприбор тахометр электрический.
6 – ЛТ – ленточныйтранспортир.
7 – ОБ – исследуемыйобъект – печь обжига серы «КС — 200».
8 – Д – датчик –термопара.
9 – ВП – вторичный прибор«КСП — 3»
Х – расход серы,подаваемой ленточным транспортёром в печь обжига серы.
У – значение температурысернистого ангидрида на выходе из печи.
При подготовке кэксперименту было учтено быстродействие элементов исполнительной арматуры.
Вначале обжигаразогревают дизельным топливом до температуры 800 С. Затем загружают серуленточным транспортёром (поз. 24). Дальнейший нагрев печи производится за счетвыделения тепла горячей серы, а форсунки для распыления дизтоплива гасятся. Дляснятия разгонной кривой объекта необходимо привести объект в равновесноесостояние, когда температура достигнет значения в пределах 950 – 970 С,тахометр, установленный на
двигателе постоянноготока, показывает 300 об/мин. Затем нужно вывести систему из равновесия, то естьнанести ей управляющее воздействие. Для этого на пульте оператора изменяетсязадание для магнитного усилителя (с 300 об/мин до 350 об/мин). Одновременно сэтой операцией засекаем время и начинаем фиксировать значение температуры газо- воздушной среды через равные промежутки времени, пока температура неустановится (970 – 1055 С). Полученные результаты измерений заносятся втаблицу.
Таблица режимных значенийтемпературы газа – воздушной среды на выходе из печи обжига серы
t С
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
780
Н моб (t)
0,007
0,036
0,079
0,132
0,194
0,252
0,31
0,374
0,415
0,476
0,523
t С
840
900
960
1020
1080
1140
1200
1260
1320
1380
1440
1500
Н моб (t)
,569
0,61
0,646
0,671
0,712
0,74
0,812
0,789
0,855
0,829
0,847
0,852
t С
1560
1620
1680
1740
1800
1860
1920
1980
2040
2100
2160
2220
Н моб (t)
0,875
0,889
0,902
0,911
0,922
0,929
0,936
0,943
0,949
0,954
0,959
0,963
t С
2280
2340
2400
2460
2520
2580
2640
2700
2760
2820
2880
2940
Н моб (t)
0,966
0,97
0,973
0,976
0,978
0,981
0,983
0.985
0,986
0,987
0,987
0,988
По этим отнормированнымзначениям строим график кривой разгона объекта
Чтобы получить матописание объекта, кривую разгона аппроксимируют. Целью аппроксимации являютсяполучения численных значения коэффициентов передаточной функции, и ее вид,описывающий исследуемый объект.
Известны различные методыаппроксимации, однако по методу Симою можно получить наиболее просто и точномат модель объекта. Для аппроксимации кривой разгона воспользуемся программнымприложением
SIMUP.exe по методу Симою для этого необходимо:
1.Отнормировать разгоннуюкривую объекта.
2.Определить запаздываниеобъекта.
3.Перенести началосистемы отсчета координат.
4.Ввести отнормированныекоординаты точек кривой рагона объекта.
После выполнения вышеуказанных операций программа выдает оптимальный вариант кривой разгона по видупередаточных функций видно, что исследуемый объект является устойчивыминерционным объектом второго порядка с запаздыванием.
Определить числовыезначения всех коэффициентов передаточной функции, проверим насколько точноописывается передаточная функция динамические свойства объекта для этогопередаточную функцию умножим на единичный скачек, а затем разложим передаточнуюфункцию на простейшие дроби и найдем оригинал, как сумму простейших оригиналовот простейших дробей.
H моб (t) = [-] exp (-1,52 * 10 t) *cos(7,94 * 10 t) -961 exp (-1,52 *10 t) * sin(7,94 * 10 t)
Подставляя в формулувремя от 0 до 2940 с шагом 60 сек получаем таблицу зависимости Н моб(t) от времени.
t С
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
780
Н моб (t)
0,0101
0,0422
0,0861
0,1387
0,1938
0,2516
0,3093
0,3655
0,4193
0,4702
0,5178
t С
840
900
960
1020
1080
1140
1200
1260
1320
1380
1440
1500
Н моб (t)
,5261
0,603
0,6406
0,6751
0,7065
0,7351
0,7611
0,7847
0,806
0,8253
0,8428
0,8585
t С
1560
1620
1680
1740
1800
1860
1920
1980
2040
2100
2160
2220
Н моб (t)
0,8727
0,8855
0,897
0,9074
0,9168
0,9252
0,9327
0,9396
0,9457
0,9512
0,9561
0,9606
t С
2280
2340
2400
2460
2520
2580
2640
2700
2760
2820
2880
2940
Н моб (t)
0,9646
0,9682
0,9714
0,9743
0,9769
0,9793
0,9814
0.9833
0,985
0,9865
0,9879
0,9891
Получив значение точекреакции модели, и зная значение точек переходного процесса реального объектаточность аппроксимации объекта.
Н моб (t1) и Н ов (t1) – значение переходнойхарактеристики соответственно исходной (экспериментальной) по аппроксимирующейпереходной функции в момент времени t1.Получим =4.5%.
Точность аппроксимацииможно считать удовлетворительной, т.к. для расчетов необходимо
Выбираем по монограмме ПИрегулятор
Определив числовыезначения всех коэффициентов передаточной функции объекта и регулятора, строимзамкнутую систему управления. Взяв несколько значений времени и коэффициентовпередачи, построим семейство кривых, из которых выбираем более подходящий.Регулятор с ПИ регулированием удовлетворяет поставленным параметром согласнорегламенту производства, выбираем менее сложный регулятор с ПИ законамирегулирования.
На основании полученныхграфиков можно сделать вывод что произведенные расчеты верны, системаустойчива.
Время регулированиятемпературы составляет мене 2,500 с.
Перерегулирование 0,0%.
С параметрами регулятора
Кр = 0,28
Гиз – 330
4.Расчет надежности
Актуальность проблемынадёжности современной сверхсложной техники и продолжает возвращать во времени,требуя тщательных подходов к ее решению. При создании таких больших систем, какАСУ, АИС и АСОД на основе локальных вычислительных систем (ЛВС), требуетсяоценка надежности всех разнородных компонентов функции, техники, программ,персонала. Специфика этих компонентов велика, но тем не менее конкретные методырасчета их под надежностью основываются на общих концепциях и принципах.
Функции вероятностибезотказной работы объекта.
P(t) = e
Где х – параметрраспределения характеризующий интенсивность возникновения случайного события.
Необходимо определитьнаработку на отказ регулятора для оперативного времени t = 5лет. Интенсивности отказов его блоков Х=10 4
Вероятность безотказнойработы объекта Р(5)=0,995.
5.Обоснование выборасредств автоматизации.
В настоящее время припостроении систем автоматического регулирования приоритет отдаётся системам,позволяющим строить САР от «малого» к «большему». Т.е. при реализации каждойконкретной САР, даже если это регулирование локальное, должна учитыватьсявозможность объединение этой системы в систему более высокого уровня –построения на базе АСУ ТП.
Для реализации этогопринципа наиболее приемлемые средства вычислительной техники – микроконтроллерыспециализированные АВМ и т.д.
Таким образом в даннойкурсовой работе необходимо реализовать синтезированную систему на современнойаппаратуре.
Рассмотрим стандартныйконтроллер «Ремиконт – 300». «Ремиконт – 300» — компактный многоканальныймногофункциональный микроконтроллер, комплекс технических средств,обеспечивающий решения задач автоматического регулирования и логическогоуправления.
«Ремиконт – 300»эффективно решает простые и сложные задачи управления. Благодаря своеймногоканальности он позволяет экономично управлять небольшим агрегатом иобеспечивает высокую эффективность и надежность при построении крупных системуправления.
«Ремиконт – 300» имеетдве модели регулирующую и логическую. Регулирующая модель предназначена длярешения задач автоматичского регулирования, логическая – для реализации