ТЕМА №1. ВСТУП. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ В АВТОМАТИЦІ

1.1 Поняття про автоматику та автоматизацію

Автоматика, яка є однією з найсучасніших наук, почала служити людям давно. Першими автоматами були, мабуть, пастки, які спрацьовували згідно із заложеним у них нехитрим алгоритмом. Саме слово "автомат" (від грецького automatos - самодіючий) з'явилось ще у стародавні часи. Тоді ж і зародились ідеї перших машин: пристрій, який після розпалювання вогню жрецем відчиняв ворота храму, був предтечею парової машини. Цікаво, що слово "автомат" з'явилось чи не раніше від слова "машина" (від латинського machina).

Машини і автомати розвивались і вдосконалювались постійно, навіть у часи середньовіччя, а пізніше стали основою промислового виробництва. Науку, яка займається розробкою теорії, принципами побудови та створенням і застосуванням автоматичних пристроїв та систем, назвали автоматикою.

Автоматизацією вважається практичне впровадження автоматики у виробництво, що дозволяє замінити фізичну та розумову працю людини, яку вона витрачає на керування виробництвом та технологічними процесами, роботою відповідних технічних засобів.

З практичної точки зору автоматизація по суті, зводиться до контролю регулювання, керування та управління тими чи іншими параметрами тих чи інших технологічних процесів

Основи автоматики, як науки, заклали європейські а пізніше і американські вчені: математики, фізики, природознавці у ХVІІ-ХІХ сторіччях. Російська наука також у значній мірі спричинилася до розвитку багатьох питань розвитку теорії автоматичних систем. На Україні, яка традиційно була однією з найрозвиненіших частин російської імперії, з допомогою західних промисловців почалось прокладання залізничних колій, спорудження шахт, фабрик, заводів, на яких застосовувалась передова на ті часи техніка і технологія, тому чимало українців спричинилось до технічного та наукового розвитку промислового виробництва. Будучи від природи допитливими, кмітливими, працьовитими та акуратними, українці були і є прекрасними механіками, інженерами та вченими в галузі автоматизації, в Україні, так і за її межами.

1.1.1 Основні етапи розвитку автоматики

Історія не донесла до наших днів імен авторів перших автоматів, хоч відомості про будову деяких з них збереглись. Ще за 200 років до нової ери у єгипетському місті Александрії біля храму був встановлений автомат, який продавав свячену воду. Віруючі опускали через щілину у статую лева 5-ти драхмову монету, і з пащі лева виливалася порція води. Цей же храм був обладнаний автоматичним пристроєм, який відчиняв його двері. Після того, як жрець розпалював вогонь на камінному алтарі, у ного порожнині нагрівалося повітря, яке витискувало воду з розташованого під ним резервуару. Вода по трубці поступала у посудину, що була підвішена на ланцюгу і зв'язана з дверима храму. Посудина наповнювалась водою і натягувала ланцюг, який відчиняв ворота.

Ці пристрої описані стародавнім вченим Героном Александрійським у його праці «Пневматика» приблизно за 120 р. до н.е. Сам Герон Александрійський був також винахідником різних саморушійних пристроїв. Найбільшу славу йому приніс ляльковин театр-автомат, що являв собою велику скриню на колесах, всередині якої знаходився механічний двигун та програмний пристрій. Автоматично відчинялася завіса і з’являлись фігури акторів-автоматів, які за наперед заданою програмою розігрували сцени з часів завоювання Трої.

Крім розважальних автоматів, почали з'являтись автоматичні пристрої, які безпосередньо служили людям і приносили їм користь. В першу чергу це, звичайно годинники. Конструкція найпростішого водяного годинника показана на рис. Цей нескладний пристрій мав суттєвий недолік: внаслідок неодинакової швидкості витікання води з часом, шкала такого годинника не могла бути рівномірною.

Досконалішим був інший пристрій, зображений на цьому ж рисунку. Завдяки автоматичній стабілізації рівня води у проміжному резервуарі швидкість витікання води з нього була постійною, що дозволило збільшити точність вимірювання часу Функцію робочого органу регулятора рівня виконував глиняний горщик, який при досяганні певного рівня h щільно зачиняв вихідний отвір верхнього резервуара, чим досягалась стабілізація цього рівня, а, значить, швидкість витікання води.

Рис. 1.1. Схема водяного годинника: а - з нерівномірною шкалою часу; б - з регулятором рівномірності часової шкали; 1 - глиняний горщик, що виконував функцію виконавчого органу регулятора рівня

Історичні перекази засвідчують, що давньогрецький філософ Платон (ІVст. до н.е.) використовував такий пристрій не тільки як годинник, але і як автоматичний сигналізатор. Для цього нижній резервуар виконувався герметичним і коли вода в ньому досягала певного високого рівня, тиск повітря у ньому зростав і спрацьовував клапан, виконаний у вигляді флейти. У потрібний час цей інструмент своїм голосом скликав учнів на початок занять в академії Платона.

У середні віки вдосконаленням і розробкою різних автоматичних пристроїв займались найвидатніші вчені людства, в т.ч. такі як Леонардо да Вінчі - геніальний інженер, математик, художник. Почалась автоматизація деяких процесів на водяних млинах, лісопильнях, у гірництві.

Приблизно у ІХст. з'явились перші механічні годинники, які рухались від тягарок. Вони не мали регулятора швидкості ходу і тому були не дуже точними. Ідея такого регулятора зродилась в 1654 р. у голандця Хрістіана Гюйгенса - відомого фізика, математика і астронома. Очевидно, знаючи вже про закон коливання маятника, відкритий італійським вченим Галілео у попередньому сторіччі, він запропонував маятниковий регулятор рівномірності руху годинника. Це був перший механічний регулятор швидкості руху.

Початок ХVIIІст. ознаменувався появою першого промислового двигуна - парової машини. Ще у другій половині ХVIIст. багато винахідників пробували створити двигун, який перетворював би теплову енергію у механічну. Першому це вдалося зробити французькому доктору медицини Дені Папену (1647-1712), який після зустрічі з Гюнгенсом почав вивчати фізику та механіку і після багатьох експериментів переконався, що пара від нагрітої в котлі води здатна виконувати корисну роботу. Створена ним парова машина складалася з котла і циліндра з поршнем. Після деяких удосконалень (в т.ч. англійськими механіками Севері і Ньюкоменом) парові машини почали застосовувати для витягання води з шахт. А створення універсальної парової машини, придатної для широкого використання у промисловості, належить англійському винахідникові Джеймсу Уатту (1736-1819). Він не тільки удосконалив існуючі вже парові машини. чим різко підняв їх ККД, але і розробив для них автоматичний центробіжний регулятор швидкості обертання вала, який застосовується і до сьогодні. Так розпочалася автоматизація промислового обладнання.

Приблизно у цей же час тенлотехнік Барнаульського металургійного заводу І. Ползунов (1728-1766) розробив свій проект двоциліндрової парової машини і запропонував для неї автоматичний регулятор рівня води у котлі. Таким чином було покладено початок розробці автоматичних промислових регуляторів, які діяли за принципом регулювання по відхиленню (цей принцип інколи так і називають: принцип Уатта-Ползунова).

Далі почався нестримний потік розробок в теорії і практиці автоматичних пристроїв та систем.

1829р. - французький інженер Понселе запропонував інший принцип регулювання - по збуренню, тобто по причині, що викликає відхилення регульованої величини, а у 1845р. Сіменс - принцип регулювання по похідній регульованого параметру.

1868р. - англійський фізик Джеимс Макевелл опублікував першу працю з теорії автоматичного регулювання

1873 р. - інженер Фарко розробив конструкцію першого сервомотора – виконавчого механізму для систем автоматичного регулювання.

1874 р. - російський електротехнік В.М.Чиколєв винайшов електромашинний підсилювач - основу електромашинної автоматики.

1877р. - професор Петербурзького технологічного інституту І.А.Вишнеградський опублікував працю про основи роботи регуляторів прямої дії.

1879р. - американські інженери Кеннелі і Мактай розробили проект автоматичної телефонної станції на основі застосування крокових шукачів, чим започаткували застосування розподільного принципу передачі інформації.

1880р. - початок застосування електроприводу у вантажо-підйомних та будівельних машинах

1895р. - швейцарський математик А.Гурвіц і словацький професор А.Стодола провели перші теоретичні дослідження стійкості систем автоматичного регулювання.

1909р. - публікована класична робота професора М.Є.Жуковського про основи теорії автоматичного регулювання.

1927р. - в США вперше впроваджено телемеханічне керування сигналами світлофорів та автоматичними стрілками на ділянці залізничної колії довжиною 65 км (штат Огайо).

1945р. - запущена в дію перша цифрова ЕОМ, що дозволяла за короткий час переробляти великий об'єм інформації про хід технологічного процесу.

50-і роки - поява екстремальних систем автоматичного регулювання та розробка основ загально-державної системи приладів.

60-і роки - впровадження перших автоматизованих систем керування технологічними процесами (АСК ТП).

70-і роки - поява мікропроцесорних контролерів та регуляторів.

80-і роки - поява мікроелектронних інтегральних та інтелектуальних сенсорів (давачів).

У тисячах лабораторій по всьому світу ведеться розробка нових методів і техніних засобів сучасної автоматики і ніхто із спеціалістів не сумнівається, що їх вплив на наше життя буде вирішальним.

1.2 Основні поняття про автоматизацію керування виробництвом та технологічними процесами. Засоби та методи керування виробництвом

Сучасне виробництво - складна система, яка складається з багатьох підсистем: технічних, економічних, екологічних, соціальних та інших, і призначена для вирішення поставлених перед нею завдань. Елементи системи з'єднані між собою найрізноманітнішими зв'зками. Для успішного керування такою системою потрібно знати основні закономірності і принципи її функціонування та тенденції розвитку.

Кожне сучасне виробництво характеризується двома тенденціями:

- намаганням спростити виробництво з метою його економічності, технологічності га ефективності (ця тенденція спостерігається і у природі: там, де це можливо, природа спростила явища і речі);

- необхідністю ускладнення виробництва, яке викликається прагненням освоювати нові види продукції, підвищувати її якість, використовувати досягнення науки і техніки. Ускладнення виробництва, його внутрішніх та зовнішніх зв'язків неминуче викликає необхідність ускладнення керування ним. Без якісного керування виробництво не може бути ефективним.

В автоматиці розмежовують поняття керування та регулювання

Керування - сукупність дій, направлених на забезпечення функціонування системи у відповідності з заданою програмою, алгоритмом або метою. Цей термін вживається тоді, коли мова іде тро керування людьми, виробництвами, підприємствами або складнішими технологічними процесами.

Регулювання є вужчим поняттям і, як правило, є складовою частиною процесу керування. Воно переважно вживається тоді, коли мова іде про регулювання якогось параметру у технологічному процесі.

У сфері виробництва розрізняють дві різновидності керування: керування виробництвом та керування технологічними процесами. Вони мають такі основні відмінності:

1. У процесі адміністративного керування виробництвом люди керують людьми і діють на них. Продуктом керування є інформація.

2. Технологічними процесами також керують люди, але вони діють на речі, машини, процеси. Продуктом керування тут є фактично продукт праці - товари або послуги.

Проте, треба пам'ятати, що у всіх випадках за результати керування відповідають конкретні люди: вони або безпосередньо керують, або задають алгоритми керування івтоматам. У своїй діяльності вони підпорядковуються певній меті, виходять з якихось засад, керуються деякими принципами. Характер цих факторів впливає на результати роботи.

Об’єктом керування називається динамічна система, характеристики якої змінюються під впливом регулюючої дії.

Іншими словами це те на що здійснюється вплив, і це те на що відбуваються процеси зміни, це те за чим ведеться спостереження та регулюючий вплив.

В свою чергу об’єктом регулювання, за визначення Євгена Пестуна називають апарат, машину, агрегат, вузол технологічного процесу або процес загалом, у якому необхідно підтримувати на постійному заданому значенні за тим чи іншим заданим законом один або декілька технологічних параметрів (регульованих величин).

Об’єктом управління є:

1. Апарати, в яких протікають технологічні процеси (нагрівання, сушка).

2. Окремі виробництва (сірчаної кислоти, каучука).

3. Підприємства.

4. Галузі промисловості.

Розрізнятимемо:

- Прості (гідравлічні резервуари, ел. двигуни, генератори).

- Складні (атомні реактори, літальні апарати).

Керування технічними об’єктами здійснюється за допомогою технічних засобів керування .

Об’єкти керування класифікують у відповідності з типом протікаючого технологічного процесу.

Сукупність технологічного процесу та автоматичних засобів для його реалізації називається автоматизованою системою керування (АСК).

1.3 Класифікація технологічних процесів

Будь яку технологічну ситуацію, чи ту їх сукупність виконання яких гарантовано забезпечуює досягнення очікуваного результату з виготовлення певної продукції відповідного рівння якості називають технологічним процесом.

Сучасні хіміко-технологічні процеси відзначаються складністю та високою швидкістю протікання, а також чутливістю до відхилення режимних параметрів від нормальних значень, шкідливістю умов роботи, вибухо- та пожежонебезпечністю перероблюваних речовин. Зі збільшенням навантаження апаратів, потужності машин виконувати технологічні процеси при високих і надвисоких тисках та температурах (близьких до критичних значень), а також швидкостях хімічних реакцій з використанням ручного керування неможливо. У таких умовах навіть досвідчений працівник не може своєчасно вплинути на процес у разі відхилення його від норми, а це може призвести до втрати якості готової продукції, псування сировини, допоміжних речовин, наприклад каталізаторів, а також до аварійних ситуацій, включаючи пожежі, вибухи, викиди великої кількості шкідливих речовин у навколишнє середовище. Деякі технологічні процеси можна виконувати лише при їх повній автоматизації.

Із застосуванням автоматизації поліпшуються основні показники ефективності виробництва -збільшується кількість вироблюваної продукції, підвищується її якість і зменшується собівартість, зростає продуктивність праці.

Класифікація технологічних процесів:

1. Механічні (подрібнення, дозування, сортування, переміщення).

2. Гідромеханічні (переміщення рідин і газів, розділення неоднорідних систем, змішування, очистка газів).

3. Теплові (нагрівання, охолодження, випарювання, кристалізація).

Особливо складні:

4. Масообмінні (ректифікація, абсорбція, адсорбція, сушка, екстракція).

5. Хімічні (окислення, синтез, нейтралізація, дегідратація, електроліз, нітрування, полімеризація).

1.4 Види параметрів керування.

Досліджувати властивості технологічних процесів як об'єктів регулювання розпочинають з вивчення статичних властивостей процесу. Всі змінні, що характеризують процес, умовно розділяють на три групи.

1.Регульовані параметри - ті параметри, які характеризують перебіг процесу і які необхідно підтримувати на заданому значенні (в загальному випадку їх може бути декілька, в окремому випадку - це один регульований параметр, наприклад, температура, рівень тощо).

2.Параметри керування - параметри, які зумовлюють необхідну зміну регульованого параметра і на які можна впливати за бажанням (їх також може бути декілька або один, наприклад, витрата пари, води, вировини, електричної енергії тощо).

3.Збурювальні дії (збурення) - параметри, зміна яких порушує нормальний перебіг процесу, зумовлюючи відхилення регульованих параметрів від заданого значення.

Всі технологічні процеси, які здійснюються на підприємстві характеризуються великою кількістю різних параметрів.

Всі параметри можуть бути об’єднані в три групи:

1. Вхідні

2. Режимні

3. Вихідні

Вхідні параметри характеризують матеріальні та енергетичні потоки на вході в апарат (витрата сировини, тиск пари).

Режимні параметри дають уявлення про умови протікання процесу в апараті.

В деяких об’єктах значення параметрів неоднакові в різних точках одного і того ж апарата (ректифікаційна колона – тиск, температура і склад продукта змінюються по висоті колони). Такі параметри називають розподіленими.

Здійснювати управління об’єктами з розподіленими параметрами, як правило, складніше, ніж об’єктами із зосередженими параметрами.

Вихідні параметри характеризуют материальні та енергетичні потоки на виході із апарату (склад кінцевого продукту, кількість відходів і т. д.). Це можуть бути також економічні показники процесу, наприклад собівартість чи витрати на виробництво кінцевої продукції.

Сукупність значення всіх параметрів процесу називають технологічним режимом, а сукупність значень параметрів, які забезпечують розв’язок задачі, поставленої при керуванні процессом — нормальним технологічним режимом. Нормальний технологічний режим задають і оформляють у вигляді технологічної карти. В карті приводять перелік параметрів, значення яких необхідно підтримувати на визначеному рівні, а також вказують діапазон значень, в яких зміна цих параметрів не призводить до серйозних порушень технологічного режиму. Керування технологічним процесом зводиться до підтримання параметрів на значеннях, які відповідають нормальному технологічному режиму.

Реальні об’єкти керування в більшій чи меньшій мірі піддаються збуренням, які порушують хід процесу в об’єкті. Більшість збурень важко заздалегідь передбачити, що значно ускладнює керування процесом. Розрізняють зовнішні та внутрішні збурення.

Зовнішні збурення проникають в об’єкти керування зовні — зі зміною вхідних параметрів, деяких вихідних параметрів, а також параметрів навколишнього середовища. Зміна будь-якого вхідного параметра процеса обов’язково приводить до зміни проходження процесу в об'єкті. Більшість вихідних параметрів об’єкта (наприклад, склад і температура кінцевого продукту) не впливає на хід процесу в об'єкті, більше того, їх значення визначаються ходом цього процесу. Однак зміна деяких вихідних параметрів призводить до зміни режимних параметрів. Так, зміна витрати пари, який виходить із ректифікаційної колони, впливає на тиск в колоні, а зміна витрати залишку — на рівень рідини в кубі. Збурення, які надходять в об’єкт керування при зміні параметрів навколишнього середовища, найбільш сильно впливають на технологічний режим у випадку установки апаратів під відкритим небом.

Внутрішні збурення виникають в самому об’єкті автоматизації (наприклад, при забрудненні і корозії внутршніх поверхонь апарату, зміні активності каталізатора и т. д.).

При керуванні процесом осбливу увагу слід звернути на зовнішні збурення, так як вони надходять в об’єкт частіше, чим внутрішні, нерідко мають ступінчастий характер, велику амплітуду зміни і в ряді випадків можуть бути вилучені до надходження в об’єкт.

Автоматизованою системою керування (АСК), взаємодіє із зовнішнім середовищем і кількісно її можна оцінити через входи X та виходи Y. Входами можуть бути витрати матеріальних та енергетичних потоків, які надходять в апарат або виходять з нього; виходами, як правило, є температура, тиск, рівень рідини та концентрація продукту. Звичайно на систему діють збурення Z, які намагаються відхилити вихідні координати від їх нормальних значень. Такими збуреннями є витрати речовин, їх температура, тиск концентрації та ін. Щоб компенсувати ці збурення, тобто щоб АСК працювала в заданому напрямі, використовують керуючі впливи U (рис. 1.2.).

1.5 Вимоги до об’єктів керування

Високоефективна система автоматичного керування може бути створена тільки в тому випадку, якщо об’єкт керувания є підготовлений до автоматизації. Це означає, що він повинен бути повністю механізованим і по можливості неперервно діючим.

В об’єктах періодичної дії окремі операції процесу проводяться в одному і тому ж апараті в різний час, що викликає необхідність періодичної перенастройки його роботи (закривають одні магістралі і відкривають інші; змінюють задані значення регулюючих величин і самі величини і т. д.). Це заважає підтримувати нормальний технологічний режим, ускладнює автоматизацію, а в деяких випадках робить її неможливою. Тому об’єкт керування повинен бути з манімальним числом збурень, їх величиною та частотою. З цією метою в окремих випадках встановлюють проміжні додаткові апарати (наприклад, ресивери), в яких вхідні параметри процесу усереднюються.

Отже, сформулюємо необхідні умови для впровадження автоматизації:

1. Завершення комплексної механізації виробництва.

2. Наявність типових, високоефективних та довговічних технічних засобів автоматики.

3. Масовість та однотипність продукції.

4. Наявність однотипних (неперервних або циклічних) технологічних процесів та їх відпрацьованість і досконалість.

5. Оснащеність виробництва машинами та агрегатами з силовими приводами, що піддаються автоматизації: пневмо- і гідроприводом та регульованим електроприводом.

6. Мінімальний вплив неконтрольованих збурюючих дій на технологічні процеси, нестабільність характеристик сировини та параметрів процесів, перерви з постачанням енергоносіїв: електроенергії, пари, стисненого повітря тощо.

7. Наявність необхідних умов для роботи автоматичних засобів.

8. Можливість забезпечення висококваліфікованим технічним обслуговуванням нової техніки.

9. Забезпечення вимог сангігієни та техніки безпеки.

10. Можливість отримання економічного ефекту або звільнення людини від важкої та шкідливої праці.

Недотримання цих умов не лише зменшує ефективність вкладених коштів, що приводить до матеріальних збитків, але і дискредитує саму ідею автоматизації, чим наносить їй моральну шкоду.

1.6 Види і рівні автоматизації

Всі осмислені дії у природі відбуваються згідно з відповідними умовами функціонування. Автоматичне керування як різновидність функціонування також повинно здійснюватися згідно з наперед заданими умовами та правилами. Сукупність цих правил та математичних залежностей, які показують, як необхідно змінювати вхідні величини щоб забезпечити потрібну зміну вихідних величин, котрі відповідають вимогам технології, економіки, екології, техніки безпеки і іншим, називається алгоритмом керування.

Алгоритми керування пов'язані з рівнями автоматизації. Чим вищий рівень, тим складнішою мусить бути апаратура, яка зможе забезпечити виконання заданого алгоритму керування. Найдавнішим і найпростішим алгоритмом автоматичного керування вважається стабілізація процесу, тобто підтримання постійного заданого значення регульованої величини (рис. 1.3.). Пізніше з'явились алгоритми програмного керування - підтримання змінного заданого значення регульованої величини в часі, та його різновидності: слідкуюче та логіко-програмне керування.

Розвиток теорії автоматичного регулювання та поява нових технічних засобів автоматики дозволили розробити і реалізувати більш складні та ефективні алгоритми керування: оптимальні та адаптивні. Останні забезпечують не тільки автоматичне регулювання параметрів, але і дослідження та аналіз процесу, а сама система у процесі керування здатна змінювати свої параметри і навіть структуру.

Вибір оптимального рівня автоматизації залежить від багатьох факторів. Необхідно враховувати не лише сучасний рівень технологічних процесів і засобів автоматизації, але і перспективи їх розвитку і вдосконалення, а також попередній досвід впровадження автоматизації в даній галузі та ефективність цих заходів.

Автоматизований процес може бути простим (наприклад, автоматична підтримка постійної температури) і дуже складним (автоматичне керування підприємством).

Якщо автоматизація здійснює тільки одну автоматичну операцію, яка виконується окремими машинами, і робота яких не зв’язана між собою в масштабі всього виробничого процесу то вона називається частковою (технологічні апарати, які працюють в автоматичному режимі, але з участю людини).

Автоматизація, яка здійснюється для ряду технологічних операцій зв’язаних між собою умовами виробничого процесу, називається комплексною (лінії по виготовленні напівфабрикатів).

При повній автоматизації забезпечується не тільки взаємозв’язок основних і додаткових ділянок виробництва, але і упрвління їх роботою.

Рівні автоматизації:

Перший (найнижчий) ступінь ієрархічної структури створюють типові технологічні процеси (механічні, гідродинамічні, теплові, масообмінні та хімічні) в окремому апаратурному оформленні і локальні системи автоматичного керування. Задача керування підсистемами в основному зводиться до локальної стабілізації технологічних параметрів типових процесів за допомогою АСР.

Основу другого ступеня ієрархії становлять агрегати, комплекси, АСК технологічними процесами (АСКТП) та ін. Агрегати і комплекси являють собою сукупність взаємопов'язаних окремих типових технологічних процесів та апаратів, у разі взаємодії яких виникають статично розподілені в часі збурення. На цьому ступені збільшуються складність і жорсткість зв'язків між апаратами, що потребує використання керуючих електронних обчислювальних машин (ЕОМ). Лише за такої умови можна досягти стійкої та надійної роботи системи, зменшення ймовірності аварійних зупинок і виконання технологічного процесу на високоефективному оптимальному рівні.

Третій (найвищий) ступінь ієрархічної структури становлять системи оперативного керування підприємством або сукупністю його підрозділів. Мета третього ступеня - організувати виробництво, планування та реалізацію продуктів. Такі системи називаються автоматизованими системами керування підприємством (АСКП).

1.7 Економічні аспекти автоматизації

Автоматизація виробництва не є самоціллю, а ефективним засобом підвищення продуктивності праці, покращення якості продукції, зменшення затрат важкої, монотонної, небезпечної та шкідливої праці.

При вирішенні питань про автоматизацію того чи іншого виробництва, необхідно приймати до уваги не лише економічні, але і соціальні чинники. Перш за все автоматизують ті виробничі процеси, за ходом яких людині важко слідкувати, а також там, де перебування людини є небезпечним для її життя або шкідливим для здоров'я. В інших випадках впровадження автоматизації залежить від того, яку вона дає вигоду, тобто від її економічної ефективності.

Ефективність автоматизації залежить від:

- раціонального вибору об'єкту автоматизації;

- ступеня досконалості технологічного обладнання та його придатністю для сумісної роботи з автоматичними пристроями;

- раціонального вибору засобів автоматизації;

- наявності і рівня підготовки обслуговуючого персоналу;

- величини фінансових затрат та термінів впровадження та окуплення автоматики;

- ступеня використання автоматизованого обладнання.

Суттю сучасного підходу до автоматизації виробництва є не лише застосування окремих локальних автоматичних пристроїв, регуляторів, роботів та маніпуляторів, але головним чином - створення сучасних, принципово нових "високих" технологій та гнучких виробництв і розробка для них комплексних систем автоматизованого керування (АСК). Іноді це може означати повну перебудову виробництва, включаючи технологію, організацію та керування.

Створення автоматизованих систем керування технологічними процесами (ТП), виробництвами (АСКВ) і підприємствами (АСКП) вимагає значних затрат на їх розробку, придбання необхідних технічних засобів і біжучих затрат на забезпечення функціонування систем. Економія від функціонування АСК визначається з врахуванням затрат на їх експлуатацію. Економічна ефективність капіталовкладень в автоматизацію характеризується відношенням цієї економії до затрат на створення АСК.

Застосування АСК дає можливість стабілізувати та оптимізувати технологічні процеси у виробництві, постійно контролювати витрату матеріалів і сировини та проводити аналіз відхилення їх фактичних витрат від нормативних. При цьому удосконалюється організація виробництва, зменшується потреба позаурочних робіт і відповідних доплат до них. Частково вивільнюється інженерно-технічні працівники та керуючий персонал за рахунок зниження працемісткості складання первинних документів, виконання облікових операцій та розрахунків. Це дозволяє знизити затрати у сфері керування.

Таким чином, основними факторами підвищення ефективності від застосування АСК, які можна кількісно оцінити, є:

- підвищення продуктивності праці внаслідок скорочення затрат робочого часу і оптимального завантаження робочого персоналу, а також раціональнішого використання засобів та технологічного обладнання;

- прискорення введення в експлуатацію об'єктів та збільшення потужностей для випуску продукції;

- скорочення тривалості отримання готової продукції;

- забезпечення ритмічності роботи;

- скорочення затрат матеріальних та енергетичних ресурсів;

- підвищення якості продукції, та інші.

Нижче приводиться спрощена методика підрахунку економічної ефективності автоматизації (АСК), хоч треба зауважити, що існуючі інструкції (як державні, так і відомчі чи галузеві) не завжди є чіткими та конктетними, а іноді і суперечать одна одній.

Економічна ефективність автоматизації визчається трьома показниками: річним приростом прибутку, річним економічним ефектом та ефективністю зроблених затрат.

Річний приріст прибутку (річна економія) визначається за формулою:

де В1, В2 - річний випуск продукції до і після впровадження автоматизації, тнс.грн.; Пр - прибуток від реалізації продукції до впровадження автоматизації, тис.грн.; 31, 32 - затрати на одну гривню вартості продукції до і після впровадження автоматизації, коп.

Звідси

- річний приріст прибутку за рахунок збільшення випуску продукції в тнс.грн.;

- річний приріст прибутку за рахунок зниження витрат на виробництво в тнс.грн.

Річний приріст прибутку П є одним з показників ефективності роботи підприємства, а також використовується для підрахунку річного економічного ефекту:

де Ен - нормативний коефіцієнт економічної ефективності капіталовкладень у даній галузі; Ка - капітальні затрати на створення і впровадження АСК, тис.грн.

Ці затрати складаються з:

- затрат на придбання інформаційної, обчислювальної та керуючої техніки, технічних засобів автоматизації, периферійних пристроїв, засобів зв'язку, допоміжного обладнання, оргтехніки та інших;

- вартості проектних, транспортних, монтажних, налагоджувальних та пускових ро біт;

- затрат на будівництво (реконструкцію) будов та споруд, необхідних для функціонування АСК.

Ефективність даних затрат визначається терміном їх окупності та розрахунковим коефіцієнтом ефективності:

де Ток - термін окупності затрат, роки;

Ер - розрахунковий коефіцієнт ефективності затрат на створення АСК.

Природньо, що капітальні затрати, а, значить, і показники їх ефективності залежать від вибраного рівня автоматизації. Затрати на випуск продукції після автоматизації зменшуються, але лише до певної міри. При високих рівнях автоматизації, тобто при застосуванні порівняно складного і дорогого обладнання зростають і витрати на його експлуатацію, що неминуче відбивається на собівартості продукції. Тому треба старатися визначити оптимальний рівень автоматизації як з огляду на затрати, так і з точки зору показників їх ефективності.

Тема №2 КЛАСИФІКАЦІЯ ПРИСТРОЇВ ТА СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

2.1 Класифікація засобів автоматизації

Згідно з прийнятою в Державній системі приладів (ДСП) класифікацією, засоби автоматизації діляться на три категорії:

1. Локальні системи автоматичного контролю, регулювання та керування (ЛСА).

2. Централізовані системи автоматичного контролю, регулювання та керування (ЦСА).

3. Автоматизовані системи керування технологічними процесами (АСКТП).

До локальних систем відносять ті прилади і технічні засоби, які застосовуються для автоматизації порівняно простих об'єктів з невеликою кількістю регульованих параметрів (приблизно до 10). Це:

а) показуючі, реєструючі та регулюючі прилади та пристрої, які, в свою чергу, діляться на універсальні та спеціалізовані;

б) регулюючі мікропроцесорні контроллери ("Реміконт", "Ломіконт" та інші);

в) агрегатні комплекси засобів автоматизації ("Контур", "Каскад", АКЗСР та функціональні пневматичні прилади серії "Старт");

г) регулятори прямої дії;

д) комплекси засобів автоматизації простих об'єктів.

2.2 Основні функції автоматизації

Ці засоби дозволяють реалізувати практично всі основні функції автоматизації:

- вимірювання, індикацію та реєстрацію контрольованих параметрів;

- сигналізацію про досягнення контрольованими параметрами одного або декількох заданих рівнів;

- позиційне регулювання;

- одноконтурне регулювання окремих параметрів за складними законами аналогового регулювання;

- регулювання співвідношень;

- каскадне і 6агатопов’язане регулювання параметрів та інші.

2.3 Класифікація систем автоматизації

Автоматичні системи контролю здійснюють контроль різноманітних параметрів і величин, які характеризують роботу технічного агрегату, або протікання якого-небуть процесу. Вони забезпечують автоматичне вимірювання, що передається вимірюючим, реєструючим чи записуючим пристроям.

Автоматичні системи сигналізації призначені для повідомлення обслуговуючого персоналу про стан технічного обладнання чи протікання процесу. Сигналізація здійснюється акустичним або візуальним сигналом.

Автоматичні системи блокування і захисту призначенні для запобігання аварійних ситуацій, тобто без участі людини діють на даний агрегат. Частково чи повністю припиняючи його роботу.

Автоматичні системи пуску і зупинки забезпечують включення і зупинку двигунів і приводів по наперед заданій програмі.

Автоматичні системи сигналізації, контролю, блокування і захисту, пуску і зупинки є розімкнутими.

Вхідними сигналами універсальних показуючих, реєструючих та регулюючих приладів є уніфіковані сигнали зв'язку в ДСП. Тому такі прилади можуть бути застосовані для вимірювання, індикації та реєстрації контрольованих параметрів, сигналізації, стабілізації, програмного регулювання параметрів, значення яких можуть бути перетворені в уніфіковані сигнали, наприклад: 0...5 мА або 20...100 кПа.

До централізованих систем автоматизації відносять спеціально розроблені комплекси апаратури:

а) агрегатовані комплекси засобів контролю та регулювання;

б) мікропроцесорні засоби диспетчеризації, автоматики та телемеханіки;

в) пневматичні агрегатні функціонально-апаратні комплекси та установки.

Ці засоби забезпечують побудову систем неперервного та циклічного контролю та багатоканального регулювання параметрів різних технологічних процесів та окремих агрегатів, інформацію про які доцільно передавати та обробляти в аналоговій формі, а видавати операторові - як в аналоговій, так і в цифровій формі.

Пристрої та системи локальної автоматизації можна детальніше групувати за такими ознаками

- за рівнем автоматизації - на автоматичні та автоматизовані;

- за ступенем автоматизації - на системи часткової, комплексної та повної автоматизації;

- за призначенням - на системи автоматичного контролю, керування, регулювання, сигналізації, блокування та захисту;

- за принципом керування - на розімкнуті, замкнуті та комбіновані;

- за характером зміни регульованої величини - на стабілізуючі, слідкуючі, програмні, екстремальні, оптимальні, адаптивні;

- за характером носія енергії - на електричні, пневматичні, гідравлічні та комбіновані;

- за характером сигналів – на аналогові та дискретні (за рівнем - релейні системи, по часу - імпульсні системи, по рівню і часу одночасно – цифрові системи);

- в залежності від мети керування – на стабілізуючі (підтримують вихідні параметри на постійному, заданому значенні) і оптимізуючі (які здатні знаходити оптимальні значення вихідних параметрів в залежності від ситуації в об’єкті).

- за кількістю регульованих величин - на одно- та багатовимірні.

Одновимірними називаються системи, які мають по одній незалежній вихідній величині.

Багатовимірними називаються АСР, які мають дві або більше взаємопов'язаних вихідних величини. До них належать системи непов'язаного та пов'язаного регулювання.

Частинним випадком керування є автоматичне регулювання, під яким розуміють підтримування вихідних технологічних параметрів об'єкта поблизу заданих значень з метою забезпечення нормального режиму його роботи шляхом подавання керуючих дій.

За принципом регулювання АСР поділяють на такі, що діють за відхиленням, збуренням і комбінованим принципом.

В АСР, які працюють за відхиленням регульованої величини від заданого її значення, збурення Z спричинює відхилення поточного значення регульованої величини y від заданого значення U. Автоматичний регулятор (АР) порівнює значення Y та U і в разі їх розбіжності виробляє регулюючу дію X відповідного знаку, яка через виконавчий пристрій (ВП) подасться на об'єкт регулювання (ОР) і ліквідує цю розбіжність (рис. 2.2).

Системи регулювання за відхиленням замкнені.

При регулюванні за збуренням регулятор АР3 одержує інформацію про поточне значення основного збурюючого фактора Z. Якщо воно не збігається з номінальним значенням U3, регулятор формує регулюючу дію X, що спрямовується на об'єкт (рис. 2.3).

У системах, які працюють за збуренням, сигнал регулювання проходить швидше, ніж у системах, побудованих за принципом відхилення, у результаті чого збурюючу дію можна усунути ще до появи розбіжності.

Комбінований принцип регулювання полягає в одночасному використанні як принципу відхилення, так і принципу збурення. У них вплив основного збурення Z1 нейтралізується регулятором АР3, який працює за принципом збурення, а вплив інших збурень (Z2)

- регулятором АРв, який реагує на відхилення поточного значення регульованої величини Y від заданого значення U (рис. 2.4).

Контрольні запитання:

1. Які основні функції автоматизації?

2. За якими ознаками класифікують системи автоматизації?

3. Які бувають системи автоматизації за призначенням?

4. Як поділяють САК в залежності від мети керування?

5. Як поділяють САК в залежності від наявності початкової інформації?

6. Як є принципи побудови систем регулювання?

Тема №3 ОДНОКОНТУРНІ СИСТЕМИ РЕГУЛЮВАННЯ

3.1 Розрахунок одноконтурних систем регулювання

Одноконтурні АСР призначені для регулювання однієї технологічної величини (вихідної координати) при дії на об'єкт керування різних збурень. Структурну схему одноконтурної системи регулювання показано на рис. 3.1.

Одноконтурна АСР має один замкнений контур, який складається з автоматичного регулятора (АР), виконавчого механізму (ВМ), об'єкта регулювання (ОР), вимірювального перетворювача(ВП) - датчика i проміжних перетворювачів ПП1 i ПП2.

Принцип її роботи полягае ось у чому: будь-яке відхилення збурення Z від нормального значення приводить до зміни вихідної координати У. Зміна останньої сприймається первинним ВП, його сигнал У1 після відповідного перетворення у проміжних перетворювачах ПП1 та ПП2 (наприклад, у нормуючому та електропневматичному) надходять на вхід суматора, в якому порівнюються iз заданим значенням и. Оскільки зворотний зв'язок АСР від'ємний, на виході суматора з'являється сигнал розбіжності Х=и-Y1 . Останній надходить на регулятор АР, який виробляє відповідний до закону регулювання сигнал i подає його на вхід ВМ. Цей пристрій змінює положення регулюючого органа, який збільшує або зменшує витрати матеріального чи енергетичного потоку ОП так, щоб вихідна координата набула попереднього значення.

У npoцeci дослідження АСР кожну ланку структурної схеми описують тією чи іншою передаточною функцією. При цьому об'єкт керування має дві вхідні координати: X та Z. Канал X - У називається каналом регулювання, a Z - У - каналом збурення. У paзi ступінчатої зміни вхідних координат X або Z на виході системи з'явиться сигнал, який змінюватиметься в чaci. Якщо дати збурення по каналу Z - У, то вихідний сигнал У одержить відхилення від усталеного значення, яке з часом зникне (рис. 3.2, а). 3i зміною завдания и вихідний сигнал також одержить відхилення, яке набуде нового усталеного значення (рис. 3.2, б).

Передаточні функції динамічних ланок позначимо так: AP-W1(s), BM-W2(s), OP-W3(s), BП-W4(s), ПП1-W5(s), ПП2-W6(s), а передаточну функцію каналу Z - У позначимо Wz(s). Знайдемо передаточну функцію АСР по каналу регулювання и - У. Для цього складемо систему рівнянь:

розв’язавши яку і виключивши проміжний параметр Y (s), дістанемо передаточну функцію АСР у вигляді:

Якщо об’єкт регулювання має чисте запізнення, то одержану передаточну функцію необхідно помножити на передаточну функцію ланки чистого запізнення W(s) = exp(-τ3 s), де τ3 – час чистого запізнення.

Система рівнянь для каналу збурення Z - Y має вигляд:

Розв’язавши систему рівнянь, дістанемо:

У хімічній технології одноконтурні АСР, як правило, використовують для стабілізації того чи іншого технологічного параметра. Вони розрізняються такими ознаками:

- законом регулювання регулятора;

- виконавчим механізмом (приводом) регулюючого органу;

- динамічними характеристиками об'єкта регулювання;

- кількістю та динамічними характеристиками технічних засобів автоматизації.

3.2 АСР стабілізації витрат матеріальних і енергетичних потоків

Мета такої системи регулювання - стабілізувати перепад тиску на діафрагмі, при зміні навантаження, тобто витрати F. Об'єктом регулювання є трубопровід 5 від діафрагми і до регулюючого органу 6 (включаючи останній).

АСР працює так: Відхилення витрати F від усталеного значення спричинить зміну перепаду тиску на діафрагмі. Останній сприйметься диференціальним манометром (дифманометром) 2 і призведе до появи неузгодженості між завданням и регулятора 3, який відпрацює цю зміну згідно із законом регулювання і на вході виконавчого механізму 4 з'явиться сигнал, унаслідок якого зміниться прохідний отвір регулюючого органу 6 так, щоб витрата F стала дорівнювати заданому значенню.

Аналіз системи регулювання показує, що об'єкт керування має достатньо малу сталу часу і характеризується часом чистого запізнення. Для рідинного потоку такий об'єкт можна вважати об'єктом ідеального витіснення і його ланкою – ланку чистого запізнення. Крім ОР до динамічних ланок належать дифманометр і виконавчий механізм. Якщо використовують дифманометр типу „Сапфір", то його можна ідентифікувати підсилювальною ланкою.

П-регулятори в таких системах, як правило, не використовують через залишкову похибку, можливість появи сильних коливальних перехідних процесів, і, як наслідок, вихід із ладу регулюючого органу.

Розглянемо передаточні функції АСР. По каналу регулювання и-Y маємо:

3.3 АСР стабілізації рівня рідини в ємності

У більшості випадків рівень регулюється через зміну витрати стоку Fc. У цьому разі зміна витрати притоку Fn буде сильним збуренням. Зазначимо, що в багатьох випадках перетворювачі первинний вимірювальний 1 і проміжний 2 поєднані (наприклад, рівнеміри буйкові, гідростатичні, п'єзометричні). У цьому разі їх розглядають як одну динамічну ланку.

Принцип роботи АСР полягає в наступному: В усталеному режимі роботи сигнал, який надходить із перетворювача 2 у1 і задавальний сигнал (и) збігаються, тобто розбіжність e = 0 і вихідний сигнал

.

У разі появи збурення або зміни завдання и на регулятор 3 створюється сигнал розбіжності , який приведе до формування вихідного сигналу регулятора, додаткової дії на виконавчий механізм 4 і регулюючий орган 6. Останній змінить прохідний отвір так, щоб витрати Fc зменшилися при зниженні рівня, або навпаки.

Об'єкт керування при такому способі регулювання не має чистого запізнення.

Регулятор може мати П-, ПІ- або ПІД-закони регулювання. Первинний вимірювальний перетворювач являє собою підсилювальну ланку з передаточною функцією W1(s) = K1. При доброму демпфуванні проміжний перетворювач описується рівнянням аперіодичної ланки першого порядку.

3.4 АСР стабілізації тиску газу в резервуарі

Такий об'єкт, як правило, має достатньо високу сталу і малий час чистого запізнення. Для регулювання можна використовувати як неперервні, так і позиційні регулятори. Найчастіше застосовують П- і ПІ-регулятори. Виконавчими механізмами є як пневматичні, так і електричні приводи.

Якщо регулювання здійснюється за рахунок впливу на витрати стоку Fс, як показано на рис. 3.5,а, то витрати притоку Fп будуть сильним збуренням. До значного збурюючого фактора належить також температура газу.

Система працює таким чином: зі збільшенням тиску Р у резервуарі 5 зросте сигнал у1 на виході проміжного перетворювача 2 і з'явиться сигнал неузгодженості  на виході регулятора 3. Вихідний сигнал останнього почне діяти на виконавчий механізм 4 і відповідно на регулюючий орган 6, який збільшить прохідний отвір і витрати Fс, що призведе до спаду тиску до попереднього значення. Зазначимо, що датчик 1 і проміжний перетворювач 2, як правило, конструктивно об'єднані і являють собою одну динамічну ланку першого або другого порядку.

Резервуар під тиском належить до ОР першого порядку. Нехай АСР має П-регулятор, силовий вимірювальний перетворювач і циліндричний пневмопривід регулюючого клапана.

Виконавчий маханізм (пневмопривід) є інтегруючим елементом першого порядку з передаточною функцією

Розглянемо АСР по каналу и-y. Передаточна функція має вигляд:

3.5 АСР стабілізації температури теплообмінника

Одна з особливостей регулювання температури продукту на виході кожухотрубного теплообмінника 6 полягає в тому, що по-перше, він описується диференціальним рівнянням другого порядку, по-друге, його перехідний процес може мати коливальний характер, по-третє, теплообмінник має досить великий час чистого запізнення. Ще одна особливість полягає в тому, що первинний вимірювальний перетворювач 1 (у більшості випадків термопара) має досить великі сталі часу.

Регулювання, як правило, здійснюється за рахунок зміни витрат теплоносія FТ, яким найчастіше в хімічній технології використовуєтьcя перегріта пара. Регулятор може мати ПІ- або ПІД-закони регулювання, оскільки в більшості випадків статична похибка не допускається. Приводом до регулюючого органу 7 може бути як пневматичний мембранний виконавчий механізм, так і електродвигун. Принцип роботи АСР полягає в наступному: із підвищенням температури Т2 відносно заданого регулятором значення збільшується сигнал на виході перетворювача 1. Останній надходить на нормуючий перетворювач 2, в якому цей сигнал перетворюється на струм силою 0...5, 0...20 або 4...20 мА. Якщо для регулювання використовують пневматичний виконавчий механізм, то цей електричний сигнал за допомогою електропневматичного перетворювача 3 перетворюють на уніфікований пневматичний сигнал 0.02....0.1 МПа. Останній подається на пневматичний регулятор 4, який керує виконавчим механізмом 5. Це приведе до того, що регулюючий орган зменшить прохідний отвір, а відповідно й витрати теплоносія.

Сильними збурюючими факторами для системи регулювання є витрати продукту Fn та його температура Т1. Тому, синтезуючи АСР, необхідно дослідити їх вплав з урахуванням того, що по цих каналах спостерігається істотне запізнення.

Ураховуючи, що індекси передаточних функцій на структурній схемі відповідають позиціям функціональної схеми, передаточна функція АСР по каналу регулювання при ПІД-регулюванні має вигляд:

3.6 АСР стабілізації концентрації речовин

До особливих аспектів регулювання концентрації в багатьох випадках належить розподіленість об'єкта керування і первинного вимірювального перетворювача. Наприклад, датчики газоаналізаторів, аналізатори рідин часто розміщуються на деякій відстані від об'єкта, мають пристрої підготовки газу чи рідини для вимірювання. Це призводить до появи істотного часу чистого запізнення, яке може значно перевищувати сталу часу аналізатора. До таких приладів контролю належать хроматографи, аналізатори фото калориметричні, термомагнітні, оптичні, кондуктометричні та ін. Виняток становлять датчики рН-метрів, які можуть розміщуватися безпосередньо в технологічному апараті, ультразвукові та ін.

Функціональну схему одноконтурної АСР концентрації за наявності запізнення датчика та його структурну схему показано на рис. 3.7. Концентрація регулюється зміною витрат матеріального потоку на вході об'єкта, який несе реагуючий компонент, або зміною витрати теплового потоку, що спричинює зміну температури в апараті.

Система регулювання працює так: за допомогою пристрою підготовки проби 4 аналізована суміш втягується, проходить, наприклад, стадії охолодження, очищення, дозування і надходить на датчик 5, в якому концентрація перетворюється на електричний або пневматичний сигнал. Останній надходить на проміжний перетворювач 6, а далі - на регулятор 1 і виконавчий механізм 2.

У динамічному відношенні стадія підготовки аналізованої проби являє собою ланку чистого запізнення з передаточною функцією

де τ4 – час чистого запізнення.

Передаточна функція АСР по каналу регулювання

де τ3 і τ4 – час чистого запізнення відповідно об’єкта керування та датчика.

Із рівняння /3.17/ випливає, що збільшення часу чистого запізнення в характеристичному рівнянні призводить до погіршення стійкості системи регулювання. Крім того, на роботу регулятора істотно впливає також якість регулювання. Частоти переходу ДЧХ зміщуються ближче до нуля, а це означає, що з’являються додаткові резонансні частоти при достатньо низьких частотах. У таких випадках в перехідному процесі істотно підсилюються друга та третя складові, які звичайно мають низький ступінь загасання і великий час перехідного процесу. Тому часто доцільно використовувати посередні методи контролю за концентрацією, наприклад, температурної депресії, ультразвукові, радіоактивні, гідростатичні, інші методи визначення концентрації за густиною розчину тощо.

Системи регулювання pH-рідин можна поділити на системи позиційного та неперервного регулювання. Позиційне регулювання використовують тоді, коли швидкість зміни pH невелика, а допустимі межі її коливань достатньо широкі. Якщо необхідно точно підтримувати pH розчину на заданому рівні, то використовують неперервні ПІ- або ПІД-регулятори.

Спільною особливість об’єктів при регулювання pH є нелінійність їх статичних характеристик, пов’язана з нелінійною залежністю pH від витрати реагентів (рис. 3.8 а). На кривій pH=f(F) можна відокремити три ділянки: І і ІІІ мають велику не лінійність і достатньо малі коефіцієнти передавання; на ділянці ІІ об’єкт за своєю статичною характеристикою наближається до релейного елемента. Практично це означає, що в розрахунку лінійної АСР коефіцієнт підсилення регулятора дістають настільки малим, що він виходить за межі робочих настроювань промислових регуляторів. При цьому чим меншою є стала часу об’єкта, тим важче забезпечити стійке регулювання, оскільки починають впливати також запізнення в імпульсних лініях.

Передаточна функція такої системи регулювання має вигляд:

Передаточні функції W2(s) і W3(s) розрізняють як коефіцієнтом передачі, так і сталою часу. Звичайно стала часу виконавчого механізму 3 має бути значно меншою, ніж виконавчого механізму 2, а коефіцієнт передачі K3>K2.

Ділянка ІІ статичної характеристики об’єкта достатньо вузька і в реальних умовах похибка регулювання через лінеаризацію на розглядуваній ділянці може бути досить великою. У цьому разі точніші результати регулювання дає система з трьома регуляторами, увімкненими паралельно (рис. 3.10 а).

Із ри. 3.9 б випливає, що коефіцієнти передачі об’єкта на ділянці pH1…pH2 різні. Найменший коефіцієнт передачі відповідає точці 1, а найбільший – точці 3. У цьому разі регулятор R1 має настроювання, які відповідають об’єкту з коефіцієнтом передачі K1, регулятор R2 – із коефіцієнтом передачі K2, а регулятор R3 – із коефіцієнтом передачі K3.

Структурну схему такої АСР показано на рис. 3.11.

Контрольні запитання:

1. Назвіть основні елементи одноконтурної АСР.

2. У чому полягає принцип роботи одноконтурної АСР?

3. Яка основна відмінність перехідних процесів АСР у paзi зміни збурюючого і задавального впливів?

4. Яка мета одноконтурної АСР витрати?

5. Що є об'єктом регулювання в одноконтурній АСР витрати?

6. Опишіть принцип її роботи.

7. Які регулятори, як правило, не використовують в одноконтурних АСР витрати і чому?

8. Який принцип роботи АСР стабілізації рівня?

9. Назвіть основні особливостей регулювання температури продукту на виході кожухотрубного теплообмінника.

10. Назвіть основні збурення АСР стабілізації температури теплообмінника.

11. Що відносять до особливих аспектів регулювання концентрації?

Тема №4 БАГАТОКОНТУРНІ СИСТЕМИ РЕГУЛЮВАННЯ

4.1 Комбіновані АСР

Комбіновані системи регулювання використовують при автоматизації об’єктів, на які діють істотні контролюючі збурення. Їх можна побудувати подаванням коректуючого сигналу на вхід як регулятора, так і виконавчого механізму (рис. 4.1).

Впровадження коректуючого імпульсу за найсильнішим збуренням дає істотне зниження динамічної помилки регулювання за умови правильного вибору та розрахунку динамічного пристрою, який формує закон зміни цього впливу.

Основою розрахунку подібних систем є принцип інваріантності. Суть цього принципу полягає в наступному: відхилення вихідної координати системи регулювання від заданого значення має тотожно дорівнювати нулю в разі будь-яких задавальних або збурюючих впливів. Для виконання принципу інваріантності необхідні дві умови: ідеальна компенсація всіх збурюючи впливів та ідеальне відтворення сигналу завдання. Очевидно, що досягти абсолютної інваріантності в реальних системах регулювання практично неможливо. Звичайно обмежуються частинною інваріантністю відносно найнебезпечніших впливів.

Если в системе автоматического управления предусматривается компенсация влияния возмущающих воздействий на регулируемые координаты, то такая система становится инвариантной, т. е. независимой, по отношению к этим воздействиям. Так как в самонастраивающихся системах функция качества управления может изменяться под действием параметрических и внешних возмущений, то, компенсируя влияние этих возмущений, можно добиться стационарности функции качества и обеспечить работу системы в экстремальном режиме.

Розглянемо умови інваріантності розімкненої комбінованої систем регулюваня відносно одного збурюючого впливу

Як правило, дослідження комбінованих АСР виконують за каналами збурення (Z - Y)

4.1.1 Умови інваріантності

Розглянемо умови інваріантності розімкненої системи (рис.4.2.): Y(t) = 0

Вважаємо, що u = cоnst, а збурюючий сигнал Z діє на вихідну координату Y двома шляхами – по каналах Z - Y або Z - X - Y. В операторній формі рівняння для вихідного сигналу має вигляд

За наявності збурення

умова інваріантності /4.1/ виконується, якщо:

З /4.1/ можна знайти передаточну функцію, яку повинен мати компенсатор, щоб виконувалась умова інваріантності:

Таким чином, щоб забезпечити інваріантність системи регулювання відносно якого-небудь збурення необхідно встановити динамічний компенсатор, передаточна функція якого дорівнює відношенню передаточної функції об’єкта по каналу збурення до передаточної функції еквівалентного об’єкту, взятого з протилежним знаком.

Якщо компенсуючий сигнал надходить на вхід виконавчого механізму, то умова інваріантності набере вигляду

Одержимо умови інваріантності для комбінованої АСР, якщо компенсуючий сигнал надходить на вхід регулятора (див. рис. 4.1, а). У цьому разі передаточна функція комбінованої системи регулювання по каналу Z - Y набере вигляду:

Умова інваріантності комбінованої системи полягає в тому, що чисельник передаточної функції має дорівнювати нулю. Таким чином, у разі ввімкнення виходу компенсатора на вхід регулятора передаточна функція компенсатора, одержана з умови інваріантності, залежатиме від характеристик не лише об’єкта, а й регулятора.

4.1.2 Умови фізичної реалізованості інваріантних АСР

Однією з основних проблем, що виникають у процесі побудови інваріантних систем регулювання, є їх фізична реалізація, тобто, реалізація компенсатора, яка відповідає вимогам.

Структура динамічного компенсатора повністю визначається співвідношенням динамічних характеристик об’єкта по каналах збурення та регулювання і може бути досить складною або навіть фізично нездійсненною.

«Ідеальні» компенсатори фізично неможливо реалізувати у двох випадках:

1. Якщо час чистого запізнення по каналу регулювання більший, ніж по каналу збурення. У цьому разі ідеальний компенсатор повинен мати ланку випередження.

2. Якщо в передаточній функції компенсатора степінь полінома в чисельнику перевищує степінь полінома в знаменнику. У цьому разі компенсатор повинен мати ідеальну диференціальну ланку.

де m і n – найбільший степінь полінома відповідно чисельника та знаменника передаточної функції.

Таким чином, умовою фізичної реалізованості інваріантної АСР є нерівність:

4.1.3 Технічна реалізація інваріантних АСР

При практичній реалізації розімкнених і комбінованих АСР звичайно добиваються наближеної інваріантності системи відносно прийнятого збурення в найнебезпечнішому діапазоні частот. При цьому реальний компенсатор вибирають із таких ланок, які можна найлегше реалізувати. Параметри таких динамічних ланок розраховують з умови, щоб частотні характеристики ідеального Wки(jω) та реального Wкр(jω) компенсаторів перебували приблизно в одному і тому самому діапазоні. Отже, має виконуватись рівність:

де ωн, ωв - значення частоти відповідно нижнє та верхнє. При цьому умова наближеної інваріантності має вигляд:

у розімкненій АСР:

а в комбінованій системі регулювання:

де Wрс(jω), W3(jω) - передаточні функції АСР відповідно розімкненої та замкненої.

Комбіновану АСР можна розглядати як двохступінчатий фільтр для сигналу збурення. Характерною особливістю замкненої системи регулювання є наявність піка на амплітудно-частотній характеристиці (АЧХ) на робочій частоті ωр, навколо якої він має найгірші фільтруючі властивості (рис. 4.3). тому найчастіше умови наближеної інваріантності для комбінованих АСР записують для двох частот: ω= 0 та ω= ωр. При цьому компенсація збурення на нульовій частоті забезпечує інваріантність системи в усталених режимах, якщо А3с(jω)≠0 при ω= 0 (наприклад, у разі використання П-регулятора) або якщо Z(jω)- ∞ при ω= 0.

Вибір структури частот реального компенсатора визначається частотними характеристиками ідеального компенсатора в діапазоні частот [0, ωр]. Звичайно компенсатори вибирають як комбінацію найпростіших лінійних ланок: аперіодичної першого порядку та реальної диференціюючої (табл. 4.1).

Таким чином, розрахунок комбінованої частково інваріантності АСР складається з таких етапів:

- розрахунок настроювань регулятора та визначення робочої частоти в одноконтурній системі регулювання;

- одержання передаточної функції ідеального компенсатора з умови інваріантності та аналіз його реалізованості;

- вибір реального компенсатора та визначення його параметрів з умови наближеної інваріантності в найістотнішому для системи діапазоні частот.

4.2 Каскадні системи регулювання

Якість роботи системи регулювання визначається властивостями об’єкта, характеристиками регулятора, а також точкою прикладання та величиною збурення. Іноді якість простої одноконтурної системи регулювання можна істотно підвищити за допомогою порівняно незначних удосконалень, таких як зменшення запізнення або однієї з менших сталих часу, використання позиціонера для покращення роботи виконавчого механізму, уведення в регулятор додаткового впливу за похідною (диференціальну складову). Якщо після цього якість системи регулювання залишається незадовільною, то необхідно розглянути можливість використання складніших систем регулювання.

Однин із шляхів покращення роботи системи полягає у використанні додаткових регуляторів. Найкращим способом використання відхилень вихідної координати є побудова схеми каскадного регулятора. Вихід основного (зовнішнього) регулятора використовується для формування та зміни завдання допоміжного (внутрішнього) регулятора, який безпосередньо діє на виконавчий механізм регулюючого органу. Головна перевага каскадного регулювання полягає в поліпшенні якості роботи системи при будь-яких збуреннях за навантаженістю, а також при великій інерційності об’єкта за каналом регулювання. Якщо збурення прикладені до входу об’єкта, то допоміжний регулятор починає виконувати регулюючий вплив ще до того, як на виході системи з’явиться яке-небудь відхилення; похибка при цьому може бути зменшена до 10-100 разів порівняно з одноконтурним регулюванням.

Каскадні АСР широко використовують для регулювання технологічних процесів, наприклад, температури, рівня, концентрації. У більшості випадків внутрішнім є контури стабілізації витрати матеріального чи енергетичного потоку.

Каскадні АСР належать до багатоконтурних систем регулювання. Найчастіше використовують дво- або триконтурні системи регулювання. На рис. 4.4. показано структурну схему двоконтурної каскадної системи регулювання:

Внутрішній контур складається з регулятора R2, який є допоміжним, BM, об’єкта регулювання OP1, перетворювачів вимірювального ВП1 та проміжного ПП1. Задання для регулятора R2 формуються основним регулятором R1 зовнішнього контура (коректуючого), який складається з вимірювального ВП2 та проміжних ПП2 і ПП3 перетворювачів.

Закони регулювання вибирають залежно від призначення регуляторів. Для підтримання основної координати на заданому значенні без статичної помилки закон регулювання основного регулятора має містити інтегральну складову, тобто, слід використовувати регулятор ПІ або ПІД. Від допоміжного регулятора потрібна, насамперед, швидкодія, тому він може мати будь-який закон регулювання, навіть пропорційний як найпростіший і достатньо швидкодіючий.

Якщо внутрішній контур каскадної АСР позначити , то формально одержимо одноконтурну систему регулювання з передаточною функцією по каналу регулювання:

а по каналу Z2 - Y:

де передаточна функція внутрішнього контура по каналу регулювання:

а по каналу : Z1 - Y1

де

- передаточні функції об’єктів по каналах збурення, які містять також ланку чистого запізнення.

Розрахунок каскадних АСР передбачає запізнення настроювань регуляторів (основного та допоміжного) при заданих динамічних характеристиках об’єктів OP1 та OP2, а також виконавчого механізму, вимірювальних перетворювачів та інших засобів автоматизації. Оскільки настроювання основного та допоміжного регуляторів взаємопов’язані, їх розрахунки виконують методом ітерацій. Спочатку треба визначити параметри настроювання внутрішнього регулятора. Для цього необхідно розімкнути зовнішній контур на вході вимірювального перетворювача ВП2 і визначити параметри настроювання регулятора R2 як для одноконтурної АСР. У розрахунку настроювань регулятора R1 внутрішній контур замінюють еквівалентною передаточною функцією (показано пунктиром на рис.3.9). У цьому разі каскадна АСР перетворюється на одноконтурну, для якої знаходять параметри настроювання регулятора R1. Потім розрахунок продовжують у такій послідовності:

- розраховують перехідний процес каскадної АСР і визначають параметри його якості;

- у разі незадовільної якості перехідного процесу змінюють у той чи інший бік настроювання регулятора R2;

- знову розраховують перехідний процес і визначають його якість;

- якщо якість перехідного процесу не задовільняє вимоги, то знову змінюють настроювання регулятора R1 і так доти, доки якість перехідного процесу не відповідатиме певним вимогам.

У розрахунку каскадної АСР необхідно враховувати, що система регулювання в цілому може бути стійкою навіть у разі нестійкого внутрішнього контура. Але такого стану слід уникати, через те, що зовнішній контур іноді переводять на ручне керування. Для внутрішнього контура найдоцільніше використовувати П-регулятор з високим коефіцієнтом передачі. Невелика залишкова нерівномірність у разі зміни навантаження в результаті компенсується основним регулятором. Інтегральна складова у внутрішньому контурі виправдана, якщо внутрішній контур має невеликий коефіцієнт підсилення, що часто має місце при регулюванні витрат.

У процесі розробки каскадної системи потрібно намагатися уникати нелінійностей, які виникають у результаті великих сигналів у внутрішньому контурі. При дуже великому коефіцієнті підсилення регулятора R2 зміна якогось збурення або керуючого сигналу від основного регулятора спричиняє перенасичення допоміжного регулятора, що призводить до переміщення регулюючого органу в крайнє положення. Іноді система при цьому залишається стійкою, але перехідні процеси в ній гірші, ніж в одноконтурних АСР.

4.3 Системи регулювання з додатковим імпульсом за похідною з проміжної точки

Такі системи регулювання використовують тоді, коли об’єкт має регульований технологічний параметр, розподілений за просторовою координатою (наприклад, апарати колонного типу, трубчасті реактори, кожухотрубні теплообмінники з великою довжиною та ін.). Особливість таких об’єктів полягає в тому, що основною регульованою координатою є технологічний параметр на виході з апарата, збурення розподілені за довжиною апарата, а регулюючий вплив подається на його вхід. При цьому одноконтурні замкнені системи регулювання не забезпечують необхідної якості перехідних процесів через велику інерційність каналу регулювання.

Подавання на вхід регулятора додаткового імпульсу з проміжної точки апарата дає випереджаючий сигнал і регулятор включається в роботу раніше, ніж вихідна координата відхилиться від заданого значення.

Для забезпечення регулювання без статичної похибки необхідно, щоб в усталених режимах додатковий імпульс зникав. Для цього допоміжний імпульс пропускають через реальну диференціальну ланку з передаточною функцією.

де Кд- коефіцієнт передачі; T1,T2- сталі часу.

Ефективність уведення додаткового імпульсу залежить від точки його вибору, яку визначають у кожному конкретному випадку динамічними властивостями об’єкта та умовами його роботи.

Розрахунок подібних систем регулювання аналогічний розрахунку каскадних АСР.

На рис. 4.5. допоміжну формує ланцюжок, який складається з вимірювального перетворювача ВП1 проміжної координати , проміжного перетворювача ПП1 та реальної диференцюючої ланки D. Вихідний сигнал диференціатора надходить на вхід регулятора R. Цей зворотний зв’язок є гнучким і працює лише в перехідних режимах роботи.

Як правило, такі АСР досліджуються по каналу збурення, розподіленого за просторовою координатою. Збурення Z діє як на вихідну координату об’єкта у, так і на проміжку у1.Завдяки тому, що технологічний параметр розподілений за лінійною координатою, дія збурення Z на проміжну координату у1 відбудеться швидше, ніж на координату у. Тому регулятор R почне працювати з моменту появи сигналу у1 і значно швидше, ніж зміниться сигнал у.

Структурна АСР із допоміжною похідною подібна каскадній, тобто має два контури: внутрішній і зовнішній. Передаточна функція для внутрішнього контура по каналу регулювання (при зміні завдання регулятора u) має вигляд:

а по каналу збурення z - y1 :

Передаточна функція АСР по каналу регулювання u - y:

а по каналу збурення:z - y

Із рівнянь /4.15-4.18/ випливає, що передаточна функція диференціатора залежить віл параметрів регулятора. Із характеристичного рівняння для внутрішнього контура маємо:

У /4.19/ введемо позначення еквівалентного об’єкта:

Якщо регулятор грунтується на ПІ-законі регулювання, то рівняння /4.19/ з урахуванням /4.14/набирає вигляду

Із рівняння /4.21/ слідує, що в разі використання ПІ (або ПІД) регулятора з достатньою точністю можна вважати, що параметри диференціатора будуть близькими до параметрів регулятора, тобто

Розрахунок АСР із додатковим імпульсом за похідною зводиться до такого:

- визначають настроювальні параметри регулятора замкненої одноконтурної системи регулювання без внутрішнього контура;

- використовуючи рівняння /4.21/знаходять параметри диференціатора;

- розраховують перехідний процес АСР і визначають його якість;

- якщо якість не відповідає необхідним вимогам, то потрібно змінити параметри диференціатора.

4.4 Взаємопов’язані системи регулювання

Об’єкти з багатьма взаємопов’язаними входами та виходами називаються багатопов’язаними (рис. 4.6,а). За відсутності перехресних зв’язків, коли кожний вхід впливає лише на один вихід, багатопов’язані об’єкти розпадаються на однопов’язані (рис. 4.6,б).

Більшість хіміко-технологічних процесів є складними багатопов’язаними об’єктами, наприклад, випарні установки, абсорбери, ректифікаційні колони, реактори та ін. Системи регулювання технологічними параметрами таких об’єктів також взаємопов’язані.

Динаміка багатопов’язаних об’єктів описується системою диференціальних рівнянь або в операторній формі у вигляді матриці. Наприклад, для рисунку 4.6,а маємо:

Першу матрицю називають матрицею передаточних функцій

,другу - матрицею вхідних координат

третю – матрицею вихідних координат

.Таким чином, у матричній скороченій формі рівняння можна записати так:

Для однопов’язаних об’єктів матриця /4.22/ перетворюється на діагональну:

Існують два різних підходи до автоматизації багатопов’язаних об’єктів: непов’язане регулювання окремих координат за допомогою одноконтурних АСР; пов’язане регулювання з використанням багатоконтурних систем, в яких внутрішні перехресні зв’язки об’єкта компенсується зовнішніми динамічними зв’язками між окремими контурами систем регулювання. Кожний із цих методів має свої переваги і недоліки.

При непов’язаному регулюванні, якщо враховують лише основні канали, АСР розраховують так само як одноконтурні системи. Цей метод можна застосовувати тоді, коли вплив перехресних зв’язків набагато слабший, ніж основних. У разі сильних перехресних зв’язків фактичний запас стійкості системи регулювання може виявитися нижчим за розрахунковий. Це призводить до низької якості регулювання, а в найгіршому випадку – до втрати стійкості внаслідок взаємовпливу контурів регулювання.

Щоб попередити можливість взаємного розгойдування, одноконтурні АСР слід знаходити, ураховуючи внутрішні зв’язки та інші контури регулювання. Це значно ускладнює розрахунок системи, але гарантує задану якість регулювання в реальній системі.

Пов’язані системи регулювання крім основних регуляторів містять додаткові динамічні компенсатори. Розраховувати та налагоджувати такі АСР значно важче, ніж одноконтурні.

4.4.1 АСР непов’язаного регулювання

Розглянемо принцип непов’язаного регулювання на прикладі об’єкта з двома непов’язаними координатами (рис. 4.7,а). Зазначимо, що об’єкти з двома взаємопов’язаними координатами найширше використовують у хімічній технології. Якщо об’єкт має понад дві взаємопов’язані координати, то при автоматизації його поділяють на два або більше об’єктів з двома взаємопов’язаними координатами.

Передаточна функція та створюють перехресні зв’язки між вхідними та вихідними координатами об’єкта. Прикладом такого об’єкта регулювання може бути резервуар з рідиною під тиском. Тиск Р регулюється зміною витрати притоку Fn , а рівень L – зміною витрати стоку Fc. Нехай, згідно із структурною схемою об’єкта Х1 → Fn; Х2→ Fс; y1→ Р; y2→ L.

Передаточна функція

створюють перехресні зв’язки між вхідними та вихідними координатами об’єкта. Прикладом такого об’єкта регулювання може бути резервуар з рідиною під тиском. Тиск Р регулюється зміною витрати притоку Fn , а рівень L – зміною витрати стоку Fc. Нехай, згідно із структурною схемою об’єкта Х1 - Fn; Х2 - Fс; y1 - Р; y2 - L.

Між тиском Р і витратою Fn існує прямий зв’язок, який описується передаточною функцією

Між рівнем L і витратами також існує прямий зв’язок, який описується передаточною функцією

Розглянемо перехресні зв’язки. Якщо витрата Fn(Х1) збільшиться, то це призведе до збільшення рівня (y2). З іншого боку, збільшення витрати (Х2) призведе до зниження рівня (y2) і відповідно тиску (y1). Ці взаємозв’язки створюють передаточні функції

і

Якщо взаємні зв’язки сильніші від основних, то їх необхідно поміняти місцями так, як показано на рис. 4.7.

У разі сильних основних зв’язків будують системи регулювання по каналах відповідно Х1 → y1 і Х2→ y2 (рис. 4.8).

Зв’язок між системами регулювання відбувається через ОР. Знайдемо передаточну функцію еквівалентного об’єкта в одноконтурній АСР із регулятором R1, структурну схему якого показано на рис. 4.9.

Із рисунка 4.9. випливає, що, по-перше, еквівалентний об’єкт містить систему регулювання по каналу

із передаточною функцією

по-друге, одержано еквівалентну ланку з передаточною функцією

паралельною основній динамічній ланці з передаточною функцією

. Таким чином, передаточна функція еквівалентного об’єкта регулювання має вигляд:

4.4.2 АСР пов’язаного регулювання

Основою побудови системи пов’язаного регулювання є принцип автономності. Щодо об’єкта з двома входами і виходами поняття автономності визначає взаємну незалежність вихідних координат y1 і y2 при роботі двох замкнених систем регулювання.

По суті умова автономноcті складається з двох умов інваріантності: першого виходу y1 відносно сигналу другого регулятора Хр2 та другого виходу y2 відносно сигналу першого регулятора Хр1. При цьому сигнал Хр1 можна розглядати як збурення для виходу y2, а сигнал Хр2 – як збурення для y1. Тоді перехресні канали виконують роль каналів збурення (див. рис. 4.10). Для компенсації цих збурень у систему регулювання вводять динамічні пристрої з передаточними функціями і , сигнали від яких надходять на відповідні канали регулювання або на входи регуляторів.

За аналогією з інваріантними АСР передаточні функції компенсаторів

які визначаються з умови автономності, залежатимуть від передаточних функцій прямих і перехресних каналів об’єкта.

Для побудови автономних систем регулювання важливе значення мають фізична реалізованість і технічна реалізація наближеної автономності.

У розрахунку системи пов’язаного регулювання поділяють на автономні АСР (див. рис. 4.11). Кожну таку автономну систему розраховують як комбіновану згідно із принципом інваріантності, тобто знаходять настроювання регулятора і після цього визначають параметри динамічного компенсатора. Збуренням для автономної АСР, зображеної на рис.4.11.а, буде навантаження Хр2 а показаної на рис.4.11.б - Хр1. Таким чином, такі системи досліджують по каналу відповідно Хр2→ y1 і Хр1→ y2.

Передаточні функції автономних систем регулювання мають такий вигляд:

4.5 Системи регулювання співвідношення потоків

Такі системи використовують для регулювання співвідношення двох технологічних параметрів, які мають бути пропорційно залежними. Найширше такі системи регулювання застосовують для регулювання співвідношення матеріальних або енергетичних потоків, відношення витрат яких дорівнює сталій величині, яка називається коефіцієнтом співвідношення.

АСР співвідношення можуть бути з одним, двома або трьома регуляторами (рис.4.12). Система регулювання з одним регулятором подібна до комбінованої АСР без динамічного компенсатора (рис.4.12,а). Вона містить замкнену одноконтурну систему регулювання, яка називається веденою і ланку збурення, яка називається ведучою.

Регулятор веденого контуру регулювання називається регулятором співвідношення і ґрунтується на пропорційно-інтегральному законі регулювання. Регулятори інших контурів регулювання можуть ґрунтуватися на інших законах регулювання.

Структурну схему АСР співвідношення з одним регулятором показано на рис.4.13, де позначено: R – регулятор; ВП1, ВП2 – вимірювальні перетворювачі; ПП1, ПП2 – проміжні перетворювачі; ВМ – виконавчий механізм.

Передаточна функція АСР по каналу збурення Х1 → y має вигляд:

Фактично вихідною координатою такої АСР є коефіцієнт співвідношення, який позначимо Кс. Таким чином, у процесі дослідження системи передаточну функцію необхідно знаходити у вигляді

У цьому разі, розглядаючи систему трубопроводів як деякий умовний ОР, доходимо висновку, що вхідною координатою є

Знайдемо передаточну функцію АСР по каналу Х2 → y:

Рівняння має істотне значення. По-перше, з цього випливає, що динамічні характеристики ОР АСР другого потоку не впливають на динамічні характеристики системи регулювання співвідношень; по-друге, система регулювання по каналу Х1→ Х2 є астатичною при використанні ПІ- або ПІД-регуляторів; по-третє, характер перехідного процесу визначатиметься параметрами регулятора.

Із рівняння /4.34/ випливає, що при використанні ПІ-регулятора система регулювання завжди буде стійкою. Еквівалентний коефіцієнт передачі системи

У разі зміни завдання (коефіцієнта співвідношення) регулятора передаточна функція системи по каналу u→ y має вигляд:

Отже, АСР необхідно досліджувати по каналу Х1→ Х2 для визначення якості регулювання у разі зміни збурюючого параметра, а також по каналу u→ y для визначення якості регулювання у разі завдання.

4.6 Адаптивні та екстримальні системи регулювання

4.6.1 Адаптивні системи регулювання (АСР)

Ми розглядали САК, які розробляються за заданими характеристиками об’єкта, відомими збуреннями і які мають незмінну структуру і параметри. Проте в більшості випадків, під час проектування систем виникають складності, що пов’язані з наявністю неповної інформації про властивості об’єкта та зовнішні збурення.

Вихід з цих ускладнень полягає в розробці регуляторів, властивості яких змінюються так, щоб при змінюванні параметрів об’єкта і зовнішніх дій якість системи зберігалася, тобто властивості регуляторів мають пристосовуватись (адаптуватися) до цих змінювань.

Системи з такими регуляторами називаються адаптивними (самонастроювальними). Отже, адаптивна САК-це система, яка здатна в процесі виконання основної задачі керування за рахунок змінювання параметрів і структури регулятора поповнювати нестачу інформації про об’єкт керування і, діючи на його зовнішні збурення поліпшувати якість свого функціонування.

Якщо вважати час роботи об’єкт інтервал [t0,t1] , то його відповідно можна розділити на підінтервали, протягом яких параметри об'єкта можна вважати незмінними. Для визначення цих інтервалів вводять поняття інтервал квазістаціонарності (Т). Виходячи з того, що параметри об’єкта насправді змінюються і вважаються сталими тільки протягом інтервалу квазістаціонарності, задачу синтезу необхідно розв'язувати в процесі та темпі роботи об'єкта автоматично. Отже алгоритм регулятора повинен змінюватися під час роботи системи, пристосовуючись (адаптуючись, самонастроюючись) протягом часу Т до параметрів об'єкта, що змінюється так щоб якість роботи системи залишалась незмінною. При такому підході до побудови адаптивної системи передусім необхідно розв'язати задачу ідентифікації (визначення) параметрів об'єкта керування. Системи з ідентифікаційним алгоритмом називаються параметрично адаптивними системами.

Іншим видом адаптивних систем є системи, які здійснюють пошук законів змінювання параметрів регулятора, виходячи безпосередньо з цілей керування. При цьому параметри регулятора повинні змінюватись залежно від значення критерію якості роботи системи. Такі алгоритми називаються прямими алгоритмами адаптивного керування, а системи в яких використовуються ці алгоритми називаються функціонально адаптивними системами керування.

Пристрій, що реалізує алгоритм адаптації називають адаптером.

Особливість структури адаптивних систем полягає в тому, що порівняно із звичайними неадаптивними системами вони мають додатковий контур – контур адаптації(самонастроювання), призначений для переробки інформації про умови роботи , що змінюються, і наступної дії на регулятор основного контуру керування.

Контур, що складається з керуючого пристрою і об'єкта керування, є основним контуром і становить звичайну неадаптивну САК. Адаптер дістає інформацію про вхідну дію x, збурення f, вихідну величину y і діє на керуючий пристрій основного контуру. Отже, адаптивна САК, крім основного контуру, має контур адаптації. Для цього контуру об'єктом керування є вся основна САК.

Адаптивні системи звичайно поділяють на два класи: параметричні і непараметричні.

У параметричних системах структура керуючого пристрою залишається незмінною, а адаптація здійснюється за рахунок змінювання (підстроювання) значень параметрів з ціллю наближення їх до оптимальної настройки. Такі системи наз. також самонастроювальними.

У непараметричних системах адаптація здійснюється за рахунок змінювання структури (алгоритму функціонування) керуючого пристрою. Такі системи наз. також самоорганізуючими.

4.6.2 Системи екстремального регулювання (ЕСР)

Системою екстремального керування називається система, в якій автоматично відшукується та підтримується режим роботи, що характеризується максимально (мінімально) можливим значенням показника якості. Цей показник називається також показником екстремуму або цільовою функцією. В загально випадку в процесі екстримального керування визначається екстремум статичної характеристики нелінійного нестаціонарного інерційного об'єкта, на який діють збурення, що змінюють положення екстремуму в просторі керуючих дій.

Якщо статична характеристика об'єкта має екстремум:

де І-показник екстремуму, ui-керуючі параметри, то система екстримального керування має виводити й утримувати робочу точку в екстремумі.

Об'єкти екстримального керування можна класифікувати за такими ознаками:

1. Кількість керуючих (оптимізуючи) параметрів;

2. Кількість екстремумів характеристики об'єкта;

3. Обсяг інформації про об'єкт;

4. Інерційність об'єкта.

Якщо в об’єкті всього один керуючий параметр (m=1) та об’єкт називається однопараметричним; якщо m>1 то об'єкт багатопараметричний.

В найпростішому випадку об’єкт екстремального клерування є однопараметричним, одно екстремальним а його статична характеристика (рис.1) безперервно-диференційованою функцією. Головним у системах екстремального керування є відслідковування дрейфу екстремуму статичної характеристики об’єкту, тому екстремальні системи часто називають санастроювальними системами.

Прикладом екстремального об’єкту може бути котел теплових електричних станцій. В топку котла подається повітря кількість якого дещо перевищує ту кількість яка теоретично необхідна для повного згорання палива. Відношення цих кількостей називається коефіцієнтом надлишку повітря н. Правильність вибору цього коефіцієнту визначає економічність використання палива. Основним збуренням для котла є змінювання споживання пари. Залежність ККД котла  від коефіцієнта надлишку повітря н мають екстремуми для різних витрат пари F (рис. 4.16). Завданням систем екстремального керування є зміна подачі повітря в топку таким чином щоб ККД котла мав би максимально можливе в даних умовах значення.

Є різні методи (принципи) пошуків екстремумів, такі як : метод вимірювання похідної, метод градієнта, метод найбільш швидкого спуску, метод випадкових пошуків, метод Гаусса –Зейделля, та інші.

Якщо значення керуючого параметра U=U’, при якому досягається екстремум є фіксованим, тобто відбувається лише вертикальний дрейф статичної характеристики, або знаходиться за заздалегідь відомим законом, то можна застосовувати систему стабілізації, або систему програмного керування.

Якщо крім вертикального дрейфу відбувається і горизонтальний, причому закон цього дрейфу заздалегідь невідомий, то системи стабілізації, або програмного керування не можуть забезпечити автоматичне утримання екстремуму. В цьому випадку слід застосовувати систему екстремального керування. Ця система забезпечує такі зміни керуючого параметра, при яких відбувається рух системи до екстремуму і утримання її в точці екстремуму.

Метод вимірювання похідної

Цей метод ґрунтується на тому, що похідна dI/dU змінює свій знак під час проходження через екстремум. Напрямок руху до екстремуму визначається знаком похідної, а ознакою наявності екстремуму є те що похідна дорівнює нулю.

Для визначення похідної dI/dU використовуються похідні dI/dt і dU/dt, а потім ділиться одна на іншу.

Функціональна схема, яка реалізує метод, коли екстремум забезпечується, шляхом руху об’єкта керування в бік екстремуму показано на рис. 4.17.

Вона складається з двох диференціаторів, блока ділення, що визначає похідну dI/dU і релейного елемента РЕ, що дає знак похідної. Залежно від знака похідної виконавчий механізм ВМ, забезпечує рух об’єкта керування в бік екстремуму. Під час проходження через екстремум знак похідної змінюється, релейний елемент РЕ перемикається і ВМ реверсується, що забезпечує повернення системи до точки екстремуму.

Контрольні запитання:

1. При автоматизації яких об'єктів використовують комбіновані системи регулювання?

2. Принцип інваріантності. Суть цього принципу.

3. Умови фізичної реалізованості інваріантних АСР.

4. В яких випадках фізично неможливо реалізувати «ідеальні» компенсатори?

5. Технічна реалізація інваріантних АСР.

6. Якими елементарними ланками представляють компенсатори?

7. У чому полягає головна перевага каскадного регулювання?

9. Який закон регулювання слід використовувати для допоміжного та основного регулятора при каскадному регулюванні?

10. Яким чином здійснюється розрахунок каскадних АСР?

11. Принцип побудови систем регулювання з додатковим імпульсом за похідною з проміжної точки.

12. Що необхідно для забезпечення регулювання без статичної похибки у системах з додатковим імпульсом за похідною з проміжної точки?

13. Яким чином здійснюється розрахунок АСР із додатковим імпульсом за похідною?

14. Які існують підходи до автоматизації багатопов’язаних об’єктів?

15. Яким чином розраховують АСР, при непов’язаному регулюванні, якщо враховують лише основні канали регулювання?

16. Принцип АСР пов’язаного та непов’язаного регулювання.

17. Яку АСР застосовуєть для регулювання співвідношення матеріальних, або енергетичних потоків?

18. Які АСР називається ще самонастроювальними

19. Які системи, здатні в процесі виконання основної задачі керування за рахунок змінювання параметрів і структури регулятора поповнювати нестачу інформації про об’єкт керування?

20. За якими ознаками можна класифікувати об'єкти екстримального керування?

Тема №5 СИНТЕЗ СИСТЕМ РЕГУЛЮВАННЯ

5.1 Вибір структури й оцінка параметрів систем регулювання

Результатом аналізу технологічного процесу як об'єкта керування є вибір структури АСР та попередня оцінка комплексу технічних засобів. Дані про динамічні характеристики ОР та інших засобів автоматизації одержують на основі їх математичного або фізичного моделювання, а також результатів експерименту.

Побудова АСР починається з визначення величин технологічного об'єкта, які підлягають контролю та регулюванню. Крім того, необхідно визначити точки введення керуючих впливів і канали їх проходження по об'єкту. З цією метою складають схему взаємних впливів величин об'єкта, відокремлюють основні та додаткові канали проходження сигналів, а після цього складають окремі контури регулювання, які компенсують вплив збурень. У разі потреби основні контури регулювання взаємопов'язують.

Контролюючі величини вибирають так, щоб їх кількість була мінімальною, але при цьому треба забезпечувати найповнішу уяву про хід протікання технологічного процесу.

Керуючі впливи вносять за допомогою виконавчих регулюючих органів, які змінюють матеріальні або теплові потоки. При розробці АСР вибирають один або кілька показників ефективності процесу, встановлюють необхідні обмеження, знаходять статичні та динамічні характеристики об'єкта регулювання. У результаті аналізу статичних характеристик оцінюють ступінь впливу одних величин на інші і виявляють регулюючі величини, які найістотніше впливають на процес. Якщо в об'єкті є кілька незалежних величин, їх регулюють окремо за рахунок впровадження відповідних контурів регулювання. В об'єктах із залежними регулюючими величинами використовують контури регулювання, в яких ураховується ступінь дії керуючих сигналів на регульовані величини.

Вибираючи вимірювальні та проміжні перетворювачі, виходять з того, що номінальні або задане значення регульованої величини мають становити 50-70% його максимального значення. Крім того, слід ураховувати інерційність вимірювальних перетворювачів і виконавчих механізмів, оскільки вони можуть істотно впливати на якість регулювання.

Характеристики ОР, як правило, нелінійні, але в системах автоматичної стабілізації більша частина змінних параметрів відхиляється від номінального значення в достатньо вузьких межах.

Координати х0, у0 на статичній характеристиці визначають номінальний стан роботи об'єкта згідно з технологічним регламентом. Тому х0, у0 називаються номінальними значеннями параметрів. Допустимі межі відхилення параметрів x і у відносно їх номінальних значень також обумовлені регламентом

а в деяких випадках зазначаються межі допустимих відхилень змінних параметрів, наприклад х змінюється від х1 до х2, у - від у1, до у2,. У таких випадках номінальні значення параметра розраховують за формулами:

а допустимі межі відхилення

Ураховуючи, що межі відхилення ∆х, достатньо вузькі, вважають, що в цих межах нелінійність статичної характеристики незначна. Тому відрізок статичної характеристики від х1 до х2 навколо заданого номінального значення х0 лінеаризують і вважають, що він є робочим для системи регулювання. Це означає, що динамічна похибка регулювання (максимальне відхилення перехідного процесу від усталеного значення) не повинна перевищувати відхилення ∆у як регульованої координати. Таким чином, допустиме перерегулювання АСР можна визначити за формулою:

Іноді відхилення вхідних і вихідних координат від їх номінальних значень задається середньоквадратичним відхиленням

У цих випадках допустиме пере регулювання АСР можна визначити за формулою

з довірчою ймовірністю 0,99…0,995.

Аналогічно можна визначити межі відхилення тих чи інших координат як довірчі межі зміни випадкової величини з довірчою ймовірністю 0,99…0,995.

Звідси можна знайти допустимий рівень ступінчастого збурення, яке можна подавати на вхід системи регулювання в процесі її дослідження.

Важливим етапом при розробці системи регулювання є аналіз статичних зв'язків між вхідними та вихідними координатами. Мета такого аналізу - виявити статично незалежні керуючі впливи та регулюючі параметри.

Зв'язки між різними змінними можуть виникати внаслідок виконання умов матеріального та теплового балансу, дії тих чи інших фізико-хімічних законів, а також за рахунок того, що частину параметрів, які є вихідними для системи регулювання, розраховують, використовуючи інші змінні.

При виборі структури АСР обмеженням є таке правило: змінні, які підлягають стабілізації, необхідно вибирати так, щоб вони були статично взаємонезалежними, тобто щоб у статичному режимі кожна з них не визначалась за значеннями інших. Якщо правило не виконується, то це призводить до статичної невизначеності системи. Навіть коли завдання регуляторів узгоджені зі зв'язком між змінними, то система може бути непрацездатною, оскільки уникнути похибки в завданні практично неможливо. Нехай

- завдання регуляторів, а у1 і у2 - вихідні параметри системи регулювання. Якщо у1 і у2 - абсолютно незалежні параметри, то має виконуватися рівність

Через різні похибки ця рівність не виконується, а це призводить до накопичення систематичної похибки, і вихідний сигнал може набути максимального або мінімального значення незважаючи на те, що завдання регулятора не змінювалося.

Щоб технологічній процес був статично керованим, необхідно, щоб кількість незалежних керуючих впливів була не меншою, ніж кількість стабілізуючих змінних.

Аналіз статики об'єкта по каналах збурення дає змогу в багатьох випадках зменшувати кількість регульованих змінних. Зв'язок між вихідною координатою у і збуренням z має вигляд

- коефіцієнт передачі по каналах збурення.

Якщо виконується нерівність

то збурюючи впливи не спричиняють статичного відхилення y0 понад припустиме.

5.2 Вибір закону регулювання регулятора

Закон регулювання регулятора вибирають з урахуванням особливостей об'єкта і заданих параметрів якості перехідного процесу. До якості регулювання кожного конкретного технологічного процесу, який має певні особливості, висуваються конкретні вимоги: забезпечення мінімального значення динамічної похибки регулювання або мінімального значення часу регулювання. Тому згідно з вимогами технології як заданий вибирають один із трьох типових перехідних процесів: граничний аперіодичний; із 20%-м перерегулюванням; із мінімальною квадратичною площею відхилення.

Динамічні характеристики конкретного об'єкта і збурення, що надходять на нього, характеризуються своїми величинами або законами їх зміни. Активно впливати на них у процесі експлуатації, як правило, неможливо. З огляду на це для досягнення потрібної якості регулювання при вибраному типовому перехідному процесі необхідно прийняти відповідний закон регулювання і знайти параметри настроювання регулятора. Звичайно цю операцію виконують після визначення динамічних властивостей об'єкта.

Реально закон регулювання регулятора визначається вимогами якості регулювання того чи іншого технологічного процесу. Якщо допустима межа відхилення технологічного параметра достатньо велика, то можна використовувати пропорційний закон регулювання. При цьому статична похибка не повинна перевищувати допустимої межі зміни регульованого параметра. Якщо допустимі відхилення цього параметра малі, то в закон регулювання необхідно вводити інтегруючу складову, тобто прийняти пропорційно-інтегральний закон регулювання. Щоб зменшити час перехідного процесу, у ПІ-закон регулювання вводять диференціальну складову.

Інтегральні регулятори, як правило, у реальних системах регулювання не використовують. Крім того, їх не можна використовувати для регулювання технологічних параметрів на нейтральних об'єктах, оскільки такі системи нестійкі при всіх значеннях настроювальних параметрів.

П-регулятори мають великі швидкість та коефіцієнт підсилення і можуть працювати на інерційних об'єктах. Але, як зазначалося, їх можна використовувати лише тоді, коли в разі зміни навантаження об'єкта припустимим є відхилення вихідної координати від заданого значення.

ПІ-регулятори мають достатню швидкодію, крім того, здатні виводити параметр на задане значення за рахунок інтегруючої складової, тому вони найбільше поширені в системах регулювання.

ПІД-регулятори використовують тоді, коли об'єкти характеризуються великим запізненням і мають великі зміни у навантаженні. Якщо жодний із розглянутих законів регулювання не дає змоги одержати перехідний процес регулюючої величини, який не виходив би за межі заданих показників якості, то для регулювання вихідної координати замість одноконтурної необхідно використовувати ту чи іншу багатоконтурну систему регулювання.

Рекомендується вибирати орієнтовно закон регулювання за величиною відношення часу запізнення τ до сталої часу Т0 об'єкта – τ /Т0:

Параметри τ і Т0 можна визначити як за кривою розгону, так і за математичним описом об’єкта. Крива розгону є експериментальною і найточніше характеризує регулювання по досліджуваному каналу. При математичному способі визначення відношення τ /Т0 необхідно одержати математичну модель об’єкта регулювання, розрахувати час запізнення і знайти передаточну функцію еквівалентного об’єкта.

5.3 Розрахунок настроювань регуляторів

При визначенні настроювань регуляторів показником оптимальності системи регулювання звичайно беруть інтегральний критерій якості при дії на об'єкт найсильнішого збурення з урахуванням додаткового обмеження на запас стійкості системи. У практичних розрахунках запас стійкості зручно характеризувати показником коливальності системи.

Під оптимальними розуміють настроювання регуляторів, які забезпечують заданий ступінь коливальності т процесу регулювання при мінімумі інтегрального квадратичного критерію.

Серед інженерних методів розрахунку настроювань регуляторів найпоширенішими є експериментальні за кривими розгону, метод незагасаючих коливань (метод Нікольса - Ціглера) і метод розширених частотних характеристик (РЧХ).

Експериментальний метод грунтується на використанні параметрів кривої розгону ОР.

У цьому разі об’єкт ідентифікується першим порядком, який має сталу часу T0,час чистого запізнення τ і коефіцієнт передачі по досліджуваному каналу К0. Причому дослідження виконують за всіма ймовірними каналами регулювання і вибирають той, який має найбільший коефіцієнт передачі. Оптимальні настроювання регулятора (ОНР) знаходять за такими формулами:

Метод за швидкістю перехідного процесу не потребує визначення сталої часу об’єкта. На кривій розгону (див. рис. 5.4.) міститься точка максимальної динамічної чутливості і на дотичній до цієї точки будується прямокутний трикутник.

Використовуючи

і час запізнення τ, визначають параметри настроювання регулятора за формулами, наведеними в таблиці.

Метод незгасаючих коливань. Як відомо автоматична система регулювання розміщується на межі стійкості, тобто має коливання вихідного з однаковими амплітудою і частотою, якщо характеристичне рівняння такої системи дорівнює нулю. Отже, для одноконтурної АСР маємо

Вважатимемо, що регулятор грунтується на П-законі регулювання, передаточна функція якого

Із рівняння /5.9./ знаходимо критичну частоту коливань . Підставивши цю частоту в рівняння АЧХ, дістанемо критичний коефіцієнт підсилення регулятора Kpкр. За ωкр і Kpкр розраховують ОНР за формулами, наведеними в табл. 5.2.

Розраховані за табл. 5.2 настроювання регулятора забезпечують ступінь загасання ψ=0,8…0,9.

Зазначимо, що фазочастотну характеристику (ФЧХ) еквівалентного об’єкта керування (для визначення ωкр) доцільно подавати у вигляді

У цьому разі навіть при τ3=0 завжди можна визначити критичну частоту ωкр.

Контрольні запитання:

1. З чого починають побудовуа АСР?

2. Що являє собою статична характеристика об’єкта?

3. Як здійснюється вибір закону регулювання регулятора?

4. Що розуміють під оптимальними настроювання регуляторів?

5. Який найзручніший із методів розрахунку і за якими формулами здійснюється розрахунок?

Тема №6 АВТОМАТИЗАЦІЯ ТЕПЛОВИХ ПРОЦЕСІВ

6.1 Автоматизація теплових процесів<

Автоматизація технологічного процесу – це сукупність АСР контролю, сигналізації та блокування, напрямлені на забезпечення мети керування – високоефективної роботи технологічного об’єкта. Ефективність роботи оцінюється показниками (критеріями), які характеризують функціонування об’єкта керування в цілому залежно від керуючих і збурюючи впливів. Показниками ефективності можуть бути мінімальний критерій якості перехідного процесу, мінімальні величини енергозатрат на одиницю готового продукту, мінімальна собівартість продукції, максимальний прибуток, максимальна продуктивність, максимальний вихід цільового продукту для масообмін них і хімічних процесів та інше.

Метою керування стабілізуючої системи є підтримання на постійному рівні з необхідною точністю того чи іншого технологічного параметра. Стабілізуючі АСР використовують, як правило, для автоматизації простих допоміжних процесів з огляду на ефективність основного процесу, наприклад, АСР стабілізації витрат, температури на виході теплообмінників, рівня рідини, тиску газів.

Досягти ефективності роботи технологічного об’єкта за всіма показниками одночасно за допомогою стабілізуючих АСР досить важко, а іноді неможливо через велику кількість факторів, які впливають на хід процесу. Тому весь процес поділяють на окремі ділянки, які характеризуються порівняно невеликою кількістю змінних параметрів. Звичайно ці ділянки збігаються із закінченими технологічними стадіями, для яких формуються свої задачі, що входять у загальну задачу керування процесом у цілому.

Задачі керування окремим стадіями звичайно напрямлені на оптимізацію технологічного параметра або критерію керування, який легко розраховувати за відомими режимними параметрами.

Оптимізуючі системи керування підтримують той або інший технологічний параметр або критерій не на попередньо заданому рівні, а на екстремальному для даної ситуації значенні при додержанні обмежуючих умов. Останні зумовлені тим, що критерій оптимальності характеризує процес лише з одного, але найважливішого боку (наприклад, продуктивність має бути не нижчою, а собівартість не вищою за задані регламентом).

Розробку систем автоматизації починають з вибору параметрів, які беруть участь у керуванні. До них належать контролюючі, регулюючі та сигналізуючі величини, в також параметри, зміною яких вносяться регулюючі впливи. Вибирають способи здійснення захисту та блокування, а потім конкретні автоматичні пристрої автоматичних систем. Істотне значення має мінімізація кількості параметрів керування.

Основними автоматичними пристроями, які визначають технологічний режим процесу, є регулятори. Тому спочатку доцільно відібрати параметри, які необхідно регулювати, та канали внесення регулюючих впливів і лише після цього починати вибір інших параметрів.

Вибрати параметри технологічного процесу, які необхідно регулювати і зміною яких доцільно вносити регулюючі впливи, можна, лише досконально вивчивши цей процес. При цьому визначають цільове призначення процесу, взаємозв'язок його з іншими процесами виробництва, вибирають показник ефективності та знаходять статичні і динамічні моделі технологічних об'єктів. Далі аналізують імовірність надходження на об'єкт збурюючих впливів і можливість їх усунення перш ніж вони вплинуть на регульований параметр. Особливу увагу слід звертати на стабілізацію вхідних параметрів, оскільки з їх зміною до об'єкта надходять найсильніші збурення.

Як правило, не всі збурюючі фактори вдається ліквідувати до надходження їх до об'єкта керування. Дуже важливо передбачити і в разі появи усунути внутрішні збурюючі фактори. Крім того, не всі вхідні координати можна стабілізувати, оскільки більшість із них визначається технологічним режимом попереднього або наступного процесу.

Вибір регулюючих і регульованих величин та каналів регулювання грунтується на використанні статичних і динамічних характеристик об'єкта. За статичними характеристиками можна оцінити ступінь впливу одних параметрів на інші. Динамічні характеристики сприяють вибору каналів, за якими регулюючий вплив є найефективнішим.

Як відомо, більшість апаратів хімічної технології є багатопов'язаними об'єктами з двома і більше взаємопов'язаними регульованими координатами. У таких об'єктах регулюючі впливи, напрямлені на усунення відхилення однієї регульованої координати, впливають на інші. У таких випадках необхідно вживати заходів для ослаблення внутрішніх зв'язків або вводити компенсуючі пристрої для усунення зовнішніх зв'язків між регуляторами.

Вибираючи контрольні параметри, необхідно керуватися тим, щоб при мінімальній їх кількості забезпечувався найповніший обсяг інформації про процес.

Контролю підлягають насамперед параметри, знати які необхідно для виконання пускових робіт, налагодження та проведення технологічного процесу. До таких параметрів належать усі регульовані параметри, нерегульовані режимні параметри та вхідні координати, у разі зміни яких до об'єкта можуть надходити збурюючі величини.

Для оперативного керування технологічним процесом необхідно контролювати найважливіші вихідні параметри процесу. Щоб одержати дані, потрібні для госпрозрахункових і техніко-економічних показників, необхідно контролювати кількість витраченої електроенергії, палива, тепло-, холодоносія та інших енергетичних і матеріальних витрат.

Параметри сигналізації починають вибирати після аналізу об'єкта щодо його вибухо- та пожежонебезпечності, а також токсичності й агресивності перероблюваних речовин.

Сигналізації підлягають всі параметри, які можуть призвести до аварії або істотно порушити технологічний режим. До основних параметрів, які підлягають сигналізації, належать концентрації вибухонебезпечної речовини в повітрі виробничого приміщення, рівень рідини, тиск, температура в апаратах та ін.

Необхідно сигналізувати головні параметри регулювання в багатоконтурних АСР, зупинення обладнання, не передбачене технологічним регламентом, граничні значення параметрів, які контролюються з метою оперативного керування.

Крім того, необхідно сигналізувати відхилення найвідповідальніших режимних параметрів і показника ефективності, а також припинення подавання продуктів, теплоносіїв тощо.

Якщо в ході проведення технологічного процесу виникають вибухо- та аварійно-небезпечні ситуації, то слід передбачити відповідний захист. Параметри такого захисту вибирають залежно від того, що може бути причиною аварії. Якщо причина аварії - концентрація вибухонебезпечної речовини, то вона буде параметром захисту. Якщо ця концентрація підвищується до небезпечного рівня, то пристрої захисту мають виконувати при цьому відповідні операції (припинення подавання того чи іншого потоку, вмикання лінії подавання інертного газу та ін.).

Небезпека вибуху або аварії може виникнути і в разі припинення подавання однієї з речовин у технологічний апарат, наприклад, припинення подавання холодоносія в реактор, в якому виділяється теплота реакції. При цьому пристрої захисту мають повністю відімкнути всі потоки від об’єкта.

Схеми та пристрої автоматичного блокування попереджають неправильні запускання та зупинення апаратів і машин, а також виключають можливість виконання наступних операцій, якщо не виконана хоча б одна із попередніх.

6.1.1 Автоматизація теплообмінників

Рівняння теплового балансу має вигляд:

Звідки можна визначити основний (вихідний) параметр регулювання:

де

витрати відповідно теплоносія і продукту, що нагрівається;

– температури теплоносія та продукту відповідно на виході та вході теплообмінника;

питомі теплоємності теплоносія та продукту.

Теплообмінники - це апарати, в яких відбувається теплообмін між гріючим і нагрівним середовищами.

У теплообмінниках можуть виконуватися різні теплові процеси: нагрівання; охолодження; випаровування; конденсація; кипіння, а також складні комбіновані процеси. Теплообмінні апарати залежно від призначення поділяють на підігрівники, випарники, конденсатори, регенератори, парогенератори, скрубери, кип'ятильники та ін.

Показником ефективності теплообмінних апаратів є температура Тп продукту на виході з теплообмінника; мета керування - підтримувати цю температуру на заданому рівні.

Проаналізуємо процес нагрівання як об'єкт керування на прикладі поверхневого кожухотрубного теплообмінника.

У теплообмінник надходять два потоки - теплоносій FT і нагріваний продукт Fп. Витрату теплоносія можна легко стабілізувати і використовувати для внесення ефективних регулюючих впливів. Витрата продукту Fп визначається іншими технологічними процесами і в більшості випадків не може бути стабілізованою. У разі зміни витрати Fп до теплообмінника надходитимуть сильні збурення. Температури потоків ТT і Тn на вході в теплообмінник, а також питомі теплоємності СТ і Сп визначаються технологічними режимами інших процесів. Тому стабілізувати їх під час протікання процесу нагрівання неможливо. До збурюючих факторів належать температура навколишнього середовища і властивості теплопередавальної стінки внаслідок відкладання солей і корозії.

Теплообмінники як ОР температури мають велике запізнення, що впливає на роботу АСР. Щоб зменшити цей вплив, вимірювальний перетворювач потрібно розмістити якомога ближче до теплообмінника, використовувати ПІД-регулятори, мембранні виконавчі механізми з позиціонерами, а також спеціальні системи регулювання.

Автоматичний контроль необхідно проводити за витратами теплоносія та продукту, температурами потоків на вході в об'єкт та виході з нього. Витрати необхідно знати для розрахунку техніко-економічних показників процесу, а витрату і температуру - для оперативного керування ним.

Сигналізації підлягають температура і витрата продукту. Оскільки різке падіння Fп може призвести до аварійної ситуації, пристрої захисту мають перекривати лінію подавання теплоносія.

6.1.2 Одноконтурне регулювання.

Регульованою величиною є температура продукту на виході з теплообмінника. Регулюючою може бути витрата теплоносія або продукту.

Регулювання температури

шляхом зміни витрати теплоносія використовують тоді, коли теплообмінник має порівняно мале запізнення, а до якості перехідного процесу не висувається жорстких вимог.

Якщо тиск теплоносія змінюється істотно або з якихось причин вплинути на зміну теплоносія неможливо (наприклад, в утилізаторах), а також при великому часі чистого запізнення теплообмінника, використовують метод байпасного перетікання продукту. Причому витрата теплоносія може підтримуватись на одному рівні за допомогою стабілізуючої АСР.

Якщо на витрату продукту Fп не накладається обмежень за його зміною, то для ефективного керування процесом доцільно стабілізувати ці витрати перед входом в теплообмінник або регулювати температуру безпосередньо зміною витрати Fп.

6.1.3 Каскадне регулювання.

Використання одноконтурного регулювання не завжди забезпечує необхідну якість перехідного процесу, особливо коли мають місце сильні збурення за основними матеріальними потоками або теплообмінник має досить великий час чистого запізнення. У таких випадках використовують двоконтурні АСР. Такі системи значно поліпшують якість регулювання, якщо допоміжною регульованою величиною є параметр, зі зміною якого відбудеться сильне збурення процесу теплообміну. Якщо сильним збуренням є витрата теплоносія, то її використовують як допоміжну координату.

Каскадна АСР за допоміжною координатою за тиском на вході в апарат або в міжтрубному просторі дає досить ефективний результат навіть тоді, коли сильним збуренням є витрата продукту Fп або його температура, оскільки тиск у міжтрубному просторі є значно меншим інерційним параметром, ніж кінцева температура продукту. Перш ніж те чи інше збурення вплине на вихідну координату, воно сприйметься по внутрішньому контуру і відповідно зміниться його регулятор R1. Залишковий вплив цього збурення буде компенсовано коректуючим контуром із регулятором R2.

Якщо теплообмінник має велике запізнення, а сильним збурюючим параметром є витрата Fп або температура Тп продукту, то доцільно використати АСР з імпульсом за похідною з його проміжної точки. За наявності відповідного збурення почне змінюватися температура в точці а, диференціатор D подасть на вхід регулятора R випереджаючий імпульс і регулятор включиться в роботу скоріше, ніж вихідна координата відхилиться від заданого значення.

6.1.4 Комбіноване регулювання.

Комбіноване регулювання використовують тоді, коли сильним збуренням є витрата або температура продукту, а запізнення по каналу

перевищує запізнення по каналу регулювання. Вибираючи динамічний компенсатор, потрібно виходити з таких міркувань. Якщо частота зміни збурення достатньо велика, то динамічним компенсатором слід обрати диференціальну ланку. Якщо частота зміни мала, то компенсатором може бути інша динамічна ланка - аперіодична, інтегро-диференціальна або немінімально-фазова. Функціональну схему комбінованої АСР показано на рис. У разі зміни витрати продукту компенсатор К подасть на вхід регулятора К сигнал, який дасть змогу йому включитися в роботу дещо скоріше, ніж збурення досягне вихідної координати.

6.2 Автоматизація печей і топок

У хімічній, нафтохімічній і нафтопереробній промисловості широко використовують трубчасті печі (риформінги), в яких продукт безперервно проходить по змійовику, нагрівається завдяки теплоті, що виділяється при спалюванні палива. Трубчаста піч є складним об'єктом керування.

Стабілізацію температури продукту на виході необхідно забезпечити при істотній зміні температури та його витрат на вході в змійовик.

Розглянемо роботу і принципи автоматизації трубчастої печі конверсії метану. Перед трубчастою піччю газова суміш, яка складається з природного газу й азотоводневої суміші, змішується з водяною парою до співвідношення (пара - газова суміш) 3,1 ...3.4. що відповідає співвідношенню пара - природний газ 3,6...4,0. Тиск газової суміші підтримується автоматично за допомогою регулятора кількості обертів турбіни компресора природного газу. Витрати газової суміші та пари стабілізуються системами регулювання, а співвідношення між ними контролюється.

Після змішування з парою парогазова суміш надходить до підігрівника, розміщеного в конвекційній камері трубчастої печі, і підігрівається завдяки теплоті димових газів до температури, що не перевищує 525 °С. Нагріта парогазова суміш розподіляється по реакційних трубах, розміщених у трубчастій печі. В останніх на нікелевих каталізаторах при температурі 810...830 °С відбувається процес конверсії природного газу.

Теплота, необхідна для процесу конверсії, створюється за рахунок спалювання паливного газу в пальниках печі. Вміст метану в газі після трубчастої печі становить 9-11% і контролюється газоаналізатором. Температура на виході реакційних труб підтримується шляхом зміни витрати паливного газу. Процес горіння в печі виконується за вмістом у димових газах кисню, який має не перевищувати 3,5%. Вміст кисню в димових газах регулюється зміною витрати повітря. Розрідження в пічному просторі регулюється автоматично шляхом зміни кількості обертів турбіни димососу.

Автоматичному контролю підлягають такі технологічні параметри:

- співвідношення потоків пара - газова суміш;

- витрати газової суміші в трубчасту .піч;

- температура газової суміші після трубчастої печі;

- тиск паливного газу, який надходить на пальники;

- витрати метано-азотоводневої суміші та пари;

- залишковий вміст метану в газовій суміші після трубчастої печі;

- температура стінок паропідігрівника;

- температура димових газів, які викидаються в атмосферу;

- концентрація кисню в димових газах;

- розрідження в печі.

Сигналізації підлягає вихід за допустимі межі таких параметрів:

- зменшення співвідношення пари та газової суміші;

- зниження витрати пари та газової суміші перед трубчастою піччю;

- підвищення температури газової суміші на виході з печі;

- зменшення тиску паливного газу, який надходить на пальники:

- підвищення температури стінок труб підігрівника;

- підвищення вмісту кисню в димових газах;

- падіння розрідження перед димососом.

Автоматичне блокування виконується перекриттям подавання паливного газу в ніч у таких випадках:

- падінні витрати газової суміші в трубчасту піч;

- максимальній температурі газу після трубчастої печі;

- падінні витрати пари перед трубчастого піччю;

- зупиненні димососів.

Функціональну схему автоматизації трубчастої печі показано на рис. 6.7.

Показником ефективності технологічного процесу є мінімум концентрації метану в газі на виході з трубчастої печі, а мета регулювання - підтримувати цей мінімум на заданому рівні. Мета регулювання досягається завдяки стабілізації таких параметрів, як температура газової суміші на виході з печі, співвідношення азотоводневої суміші та пари, а також концентрації кисню.

Для стабілізації температури газової суміші після трубчастої печі використовують каскадну АСР, внутрішнім контуром якої є система співвідношення витрат паливного газу Fпг і повітря Fп.

У риформінгах речовини не лише нагріваються, а й зазнають хімічного перетворення. Останнє може відбуватися як із поглинанням, так і з виділенням теплоти. Ця теплота визначається багатьма факторами - співвідношенням потоків, якістю каталізатора тощо.

Важливим для печі є захист від відкладання вуглецю на стінках теплообмінника. Щоб запобігти цьому, процес спалювання палива в печі необхідно виконувати в оптимальному режимі: підтримувати на заданому рівні співвідношення витрат паливо - повітря і концентрацію кисню в димових газах.

У багатьох випадках печі використовують лише для нагрівання або сушіння тієї чи іншої речовини. Такі печі мають, як правило, перевальну стінку і теплообмінник нагрівається нагрітим у печі газом. Залежно від потужності печі повітря на спалювання палива може подаватися за рахунок ежекції (втягування повітря з приміщення внаслідок розрідження в печі) або примусово, наприклад вентилятором.

Якщо особливих вимог до процесу нагрівання продукту не висувається, то печі малої потужності можуть бути автоматизовані за допомогою одноконтурних АСР (рис. 6.8). У таких печах стабілізують, як правило, лише два параметри: температуру Т нагрітого продукту на виході теплообмінника зміною витрати палива та розрідження Р завдяки впливу на положення заслінки 5.

Для регулювання розрідженням в печі, як правило, використовують Ш-регулятор, а для температури Т доцільно застосовувати ШД-регулятор, оскільки по каналу Т —> Рт спостерігається досить велике запізнення.

До найбільших збурень, які впливають на системи регулювання, належать витрати палива Рт продукту Ьп, а також його температура Тп.

У разі сильного збурення з боку витрати палива доцільно використовувати каскадне регулювання температури із внутрішнім контуром стабілізації витрати палива (рис. 6.9).

Якщо особливі вимоги висуваються до якості регулювання температури продукту після теплообмінника, а в піч надходять великі збурення з боку подавання як палива, так і продукту, то використовують каскадну систему регулювання з допоміжною координатою за температурою нагрітих газів над перевальною стінкою (рис. 6.10).

До печей великої потужності висуваються вимоги щодо якості регулювання температури нагріваного продукту, оскільки в них, як правило, повітря надходить у піч примусово. Автоматизуються такі об'єкти за допомогою складних багатоконтурних систем регулювання.

Щоб поліпшити якість регулювання та оптимізувати режим горіння в топці, використовують багатоконтурні АСР (рис. 6.11).

Процес горіння регулюють за допомогою каскадної АСР за вмістом кисню в димових газах за допомогою регулятора R5. Внутрішнім контуром є АСР співвідношення потоків витрат газу та повітря, причому веденою є витрата газу Fг, а ведучою - витрата повітря Fпв. Тиск пари стабілізується також каскадною АСР, внутрішнім контуром якої є АСР витратою газу з регулятором R4. Контур із регулятором R2 є коректуючим.

Автоматичному контролю підлягають витрати пари Fп, газу Fг, повітря Fг, та води Fе; вологість пари, її тиск, тиск газу на пальнику; температура води, яка надходить у котел з економайзера, у печі та димових газів на виході в атмосферу; рівень води в котлі та розрідження в топці.

Обов'язковій сигналізації підлягають перевищення тиску пари в котлі, зменшення витрати палива, зменшення розрідження в топці, збільшення та зменшення допустимих меж рівня води в котлі, а також збільшення вмісту кисню в димових газах.

Блокування перекриттям подавання газу відбувається при втраті полум'я, зменшенні розрідження в топці, істотному зменшенні або збільшенні рівня води в котлі. Якщо значно збільшується тиск пари, то її частина стравлюється в атмосферу.

6.3 Автоматизація процесів випарювання

Процес концентрування твердих речовин із розчинів частковим випарюванням розчинника при кипінні рідини виконується у випарних апаратах. При роботі з невеликими кількостями розчинів при атмосферному тиску, а часто і під вакуумом використовують однокорпусні випарні апарати. Для економії гріючої пари та глибшого випарювання використовують багатоконтурні випарні установки.

Основним показником ефективності процесу є концентрація кубового залишку Q , а мета керування - підтримувати цю концентрацію на заданому рівні.

Розглянемо принципи автоматизації процесу випарювання на прикладі однокорпусної випарної установки 2 із виносним кип'ятильником 3, підігрівником 1 свіжого розчину та конденсатором 4 (рис. 6.12). Аналіз технологічного процесу як об’єкта керування показує, що сильним збуренням буде витрата Рп свіжого розчину. Оскільки в більшості випадків витрата і концентрація основного компонента визначаються попередніми технологічними процесами, використовувати їх як регулюючі фактори не можна. їх зміна буде сильним збуренням для процесу випарювання. Витрата Р парів розчинника визначається параметрами свіжого розчину, а також режимними параметрами в апараті: температурою, тиском, концентрацією розчину та інтенсивністю теплоперенесення.

Якщо припусти ги. що мети керування досягнуто, тобто концентрація () на виході установки стала і відповідає заданій, то між тиском і температурою в апараті дотримуватиметься відповідна залежність. Тому достатньо стабілізувати один із цих параметрів. У більшості випадків таким параметром є тиск, який можна регулювати зміною витрати пари Рп.

Інтенсивність теплоти, яка надходить у кип'ятильник, визначається параметрами теплоносія: витратою Рт, температурою, тиском і ентальпією. Зміна витрати теплоносія належить до найсильніших збурюючих факторів. У разі відповідної зміни витрати теплоносія в об'єкт можуть вноситися регулюючі дії.

Концентрацію визначають за різницею між температурами кипіння розчину та розчинника (за температурною депресією), хоча її можна визначити за густиною розчину в кубовій частині, питомою електропровідністю тощо. Звичайно найефективніше було б регулювати концентрацію при можливості впливу на витрату свіжого розчину та стабільній витраті теплоносія. На рис. 6.12 показано схему одноконтурного регулювання процесом випарювання. Концентрація упареного розчину стабілізується за величиною температурної дисперсії зміною витрати свіжого розчину; температура в кубовій частині регулюється зміною витрати теплоносія, який надходить у кип’ятильник; температура свіжого розчину на вході у випарну установку – зміною витрати теплоносія, що надходить на підігрівник 1; тиск пари в апараті - зміною витрати холодоносія, що надходить у конденсатор 4. Загальний матеріальний баланс забезпечується стабілізацією рівня рідини в кубі шляхом зміни витрати упареного розчину Рк.

Поліпшити якість регулювання можна завдяки використанню багатоконтурних АСР. Особливо ефективним є каскадний принцип регулювання, якщо сильними збурюючими параметрами є витрати свіжого розчину та теплоносія. При цьому особливу увагу звертають на стабільність температурного режиму та тиску пари в установці (рис. 6.13).

Якщо сильними збурюючими факторами є одночасно витрата Нп, концентрація свіжого розчину та витрата теплоносія, то для регулювання процесом доцільно використовувати АСР співвідношення потоків свіжого розчину та теплоносія, який надходить на кип'ятильник. Досить ефективною є каскадна АСР стабілізацією тиску в апараті, в якій допоміжна координата - витрата конденсату після конденсатора 4.

Іноді у випарних установках особливу увагу приділяють стабільності рівня кубової рідини. У цьому разі позитивний ефект дає каскадна АСР із допоміжною координатою за витратою упареного розчину. Схему АСР співвідношення основних потоків показано на рис. 6.14.

Основною є каскадна АСР за концентрацією Q упареного розчину з допоміжною координатою за співвідношенням потоків Fp і FT. Крім того, у цю систему вводиться компенсуючий сигнал за концентрацією Qp у свіжому розчині. Він надходить на регулятор R2, створюючи тим самим каскадно-комбінований принцип регулювання. В АСР співвідношення веденим є потік свіжого розчину, а ведучим – витрати теплоносія, на який відбувається регулюючий вплив регулятора співвідношення R1.

У разі каскадного принципу випарювання дві або більше випарних установок з’єднують послідовно. При цьому особливу увагу приділяють останній установці. Розглянемо принцип автоматизації двокорпусної випарної установки. Перша установка працює під тиском, а вторинна пара є теплоносієм для другого каскаду випарювання (рис. 6.15).

Оскільки особливих вимог до показника ефективності першого каскаду не висувається, процес керування достатньо здійснювати побудовою АСР співвідношення витрати свіжого розчину Fp та теплоносія FT. Щоб зменшити збурюючий вплив, зумовлений зміною концентрації Qp, можна ввести компенсацію за цим параметром. Температуру Tp достатньо стабілізувати за допомогою одно контурної АСР.

Оскільки упарений розчин із кубової частини першого каскаду є свіжим для другого, до його витрати висуваються підвищені вимоги. Тому рівень упареного розчину стабілізують за допомогою каскадної системи регулювання, в якій допоміжною координатою є витрата FH.

Другий каскад випарної установки має забезпечувати високий показник ефективності, тому до нього приділяють підвищену увагу щодо концентрації випареного розчину та тиску пари. Концентрація QH вимірюється посередньо за температурою депресії нагрітого свіжого розчину та вторинної пари і стабілізується каскадною АСР, допоміжною координатою якої є рівень упареного розчину. Стабілізувати тиск також доцільно за каскадним принципом так, як показано на рис. 6.15.

У процесі випарювання контролюють витрати розчинів на вході в установку та на виході з неї; температури розчинів; витрати та тиск теплоносія; тиск, температуру та рівень в апараті; концентрацію основного компонента у свіжому та упареному розчинах. Сигналізації підлягають відхилення концентрації QH від заданого значення, витрати свіжого розчину при його зменшенні та тиск при його підвищенні. Захист установки виконується за витратою розчину; якщо припиняється його подавання, система захисту має відімкнути подавання теплоносія.

6.4 Автоматизація процесу кристалізації

Основні принципи керування процесом кристалізації

Основні принципи керування процесом кристалізації розглянемо на прикладі кристалізатора з виносним холодильником. Показником ефективності процесу являється розмір одержаних кристалів. Для забезпечення текучості і відсутності злежування кристалічних речовин необхідно отримати кристали однакового розміру, що і являється завданням керування. Розмір кристалів залежить від умов при яких проводиться процес (температура в апараті, інтенсивність охолодження і перемішування розчину), а також від властивостей розчину, що поступає на кристалізацію (ступінь насичення твердою фазою, тобто початкова концентрація, температура, вміст домішок і т.д.).

Температура в апараті буде постійною при дотриманні теплового балансу процесу:

де Gp, Gм.р, Gc, Gx – витрати відповідно розчину, маточного розчину, суспензії, холодоносія; Gкр – кількість утворених кристалів за одиницю часу; cp, cм.р, cc, cx – питомі теплоємності відповідно розчину, маточного розчину, суспензії, холодоносія; tp, tм.р, tc – температури відповідно розчину, маточного розчину, суспензії; t´x, t´´x – відповідно початкова і кінцева температури холодоносія; rкр – теплота кристалізації.

Багато з цих параметрів (tp, t´x, cx, Gкр і ін.) змінюються з часом, тому для забезпечення постійності температури в апараті необхідні відповідні регулюючі впливи. Найбільш зручним із них є зміна витрати холодоносія Gx.

Інтенсивність охолодження розчину при постійній температурі в апараті буде визначатись швидкістю проходження розчину через апарат. Для підтримання її на постійному значенні йдуть шляхом стабілізації витрати розчину.

Інтенсивність перемішування розчину в кристалізаторі при використанні насосу з постійними характеристиками можна вважати постійною.

Початкова концентрація твердої фази в розчині, його температура і наявність домішок являються початковими параметрами процесу, що визначаються попередніми технологічними процесами. Їх зміни будуть призводить до порушення технологічного режиму кристалізації.

В зв’язку з тим, що в кристалізаторі мають місце значні збурення, в якості регульованої величини необхідно взяти розмір кристалів. Однак в наш час відсутні датчики як безпосереднього так і непрямого вимірювання розмірів кристалів, тому обмежуються стабілізацією температури в апараті (шляхом зміни витрат Gx і Gp). Для підтримки матеріального балансу кристалізатора слід стабілізувати рівень в апараті. Регулюючим впливом при цьому може бути зміна витрати суспензії. Маточний розчин виводиться з апаратів за рахунок переливу, тому його витрата не регулюється. Стабілізація всіх цих параметрів забезпечує, як правило, задані розміри кристалів.

З міркувань правильної експлуатації апаратів, отримання даних для підрахунку ТЕП (техніко-економічних параметрів) і оперативного управління слід контролювати витрати поступаю чого розчину, маточного розчину, суспензії і холодоносія, іх температури, рівень і температуру в кристалізаторі. Сигналізації підлягають значні відхилення температури в кристалізаторі. Контролюються і сигналізуються, крім того, параметри насосів і суспензії.

6.4.2 Регулювання концентрації кристалів в суспензії

В окремих випадках параметром, що характеризує процес кристалізації, являється концентрація кристалів у суспензії. Тоді необхідно керувати процесом таким чином, щоб концентрація кристалів була сталою – максимально можливою для даних умов. Концентрація кристалів у суспензії в певній мірі характеризує і їх розміри, наприклад, чим більше концентрація, тим інтенсивніший процес кристалізації і тим більші кристали. На практиці концентрацію кристалів визначають за густиною останньої. Регулюючі впливи слід вносити шляхом зміни витрати вихідної суміші; всі інші вузли регулювання залишаються тими ж. Регулюючими впливами при регулюванні концентрації можуть бути також зміни витрат маточного розчину і суспензії.

6.4.3 Регулювання кристалізатора з мішалкою

Такі апарати працюють, як правило, періодично. Переключення апарату з однієї операції на другу і забезпечення певної затримки в часі на операції забезпечуються автоматичним пристроєм по жорсткій часовій програмі, а для стабілізації температури встановлюють регулятор температури (регулюючий вплив – зміна витрати холодоносія).

6.4.4 Регулювання кристалізатора випарного типу

Кристалізація за рахунок випарювання частини розчинника проводиться в апаратах випарного типу, тому їх регулювання аналогічно регулюванню процесу випарювання.

На рис. 6.17 показана схема регулювання випарника-кристалізатора з природною циркуляцією, яка знайшла застосування при кристалізації сульфату кальцію із фосфорної кислоти. Особливістю схеми являється регулювання перепаду рівнів в верхній і нижній камерах випарного апарату.

Тема №7 АВТОМАТИЗАЦІЯ МАСООБМІННИХ ПРОЦЕСІВ

7.1 Автоматизація процесів ректифікації

7.1.1 Одноконтурного регулювання ректифікаційною колоною

Багаторазове чергування процесів випарювання та конденсації з метою поділу рідинної суміші на чисті компоненти називається ректифікацією. Процес ректифікації відбувається в разі зустрічного руху рідини та пари, причому пара, піднімаючись по колоні, збагачується низькокиплячими компонентами при кожному контакті з рідиною, що стікає.

Процес ректифікації належить до основних процесів хімічної технології. Показником його ефективності є склад цільового продукту. Залежно від технологічних властивостей цільовим продуктом може бути як дистилят, так і кубовий залишок. Мета керування – підтримувати концентрацію цільового продукту на заданому рівні.

Розглянемо принципи автоматизації процесу ректифікації на прикладі тарілчастої ректифікаційної колони, призначеної для розділення бінарної суміші, яка складається з теплообмінника 1 для підігрівання свіжого розчину, колони 2, дефлегматора 3 і виносного кип’ятильника 4 (рис. 7.1).

Ректифікаційна установка - це складний об'єкт керування з великим часом запізнення, великою кількістю параметрів, які характеризують процес, багатьма взаємними зв'язками між ними, розподіленістю параметрів тощо. Збуреннями є зміна початкових параметрів свіжого розчину, тепло¬та холодоносіїв, зміна теплопередавання тощо.

Оскільки затрати на ректифікацію є однією з найістотніших складових у собівартості продукції, задача автоматизації зводиться до задачі оптимального керування. Залежно від призначення ректифікаційні колони використовують різні критерії оптимальності:

мінімізацію енергозатрат на одержання цільового продукту заданої концентрації при обмеженні на продуктивність цього продукту;

максимізацію продуктивності за цільовим продуктом при обмеженні на його склад та енергозатрати.

Оскільки свіжий розчин надходить на ректифікаційну колону з попередніх апаратів технологічної лінії, коливання витрати Fp, складу Qp та температури Tp є основними збуреннями в процесі ректифікації. До можливих джерел збурень належать також ентальпія теплоносія (пари) та холодоносія, а також втрати теплоти в навколишнє середовище. Із перелічених збурень стабілізують лише температуру; витрату свіжого розчину, контролюють, як правило, завжди. За наявності автоматичних аналізаторів контролюють також склад цільової речовини в свіжому розчині.

До регулюючих впливів належать виграти теплоносія FT, холодоносія Fx, дистиляту Fд, кубового залишку Fк. ,флегми Fф, та інертних газів Fі.

Концентрації цільового продукту в дистиляті Qд та в кубовому залишку Qк, рівень останнього Lк і флегмової ємності Lд, а також температура Ti і тиск P в колоні є вихідними координатами процесу.

Розглянемо можливості регулювання режимних параметрів верхньої (закріплюючої) частини ректифікаційної колони. Аналіз процесу ректифікації показує, що концентрація Q цільового продукту визначається концентрацією низькокиплячого компонента Qк, температурою кипіння рідини Т та тиском парів над рідиною Р. Тиск Р легко стабілізувати зміною витрати пари з колони. При цьому, як правило, регулюючий орган установлений на лінії подавання холодоносія в дефлегматор. Стабілізація тиску у верхній частині колони необхідна для підтримування не лише нормального гідродинамічного режиму колони, в й заданого складу цільового продукту. Концентрацію Q в парах верхньої частини регулюють зміною витрати флегми. При цьому регулюючий орган може бути встановлений як на лінії флегми, так і на лінії дистиляту. Якість регулювання цих параметрів залежить від складу та швидкості парів, які рухаються з нижньої (вичерпної) частини колони, тиску, температури та складу рідини в кубі колони.

Регулюючі впливи в нижній частині колони можуть чинитися зміною витрати кубового залишку та теплоносія, який подається в теплообмінник. Якщо враховувати, що витрату залишку доцільно використовувати для підтримування матеріального балансу колони, то єдиним регулюючим впливом при регулюванні температури є зміна витрати теплоносія, який надходить на кип'ятильник.

Таким чином, якщо цільовим продуктом є дистилят, то для досягнення мети керування доцільно регулювати такі технологічні параметри: температуру свіжого розчину на вході в колону та температуру розчину в нижній частині колони шляхом впливу на витрату теплоносія відповідно підігрівника та кип'ятильника; тиск у верхній частині зміною витрати холодоносія; концентрацію цільового продукту впливом на витрату флегми, а також рівень рідини в кубі та флегмовій ємності. Схему регулювання процесом ректифікації за допомогою одноконтурної АСР показано на рис. 3.26.

Незважаючи на простоту одноконтурне регулювання має також недоліки. Так, стабілізація витрати гріючої пари без урахування реальної обставини в системі звичайно призводить до перевитрати пари, оскільки регулятору R1 встановлюється дещо вище завдання з урахуванням можливих коливань ентальпії гріючої пари, переохолодження флегми та інших впливів.

Відсутність компенсуючих впливів за збуреннями з боку живлення призводить до великих динамічних похибок регулювання складом продуктів, оскільки регулятор R2 одержить сигнал про відхилення регульованої координати лише після того, як зміниться склад рідини по всій колоні.

Для поліпшення якості регулювання процесом ректифікації використовують багатоконтурні АСР, допоміжними координатами яких є збурюючі фактори.

7.1.2 Регулювання концентрацією цільового продукту в кубовій рідині

Якщо показником ефективності є концентрація у кубовій рідині Qк , то особливу увагу приділяють зменшенню збурюючих впливів з боку витрати теплоносія FТ та свіжого розчину Fр. На рис. 7.2 показано схему триконтурної каскадної АСР стабілізацією концентрації

Допоміжними координатами є температура в кубовій частині колони та витрата теплоносія, що надходить на кип'ятильник.

7.1.3 Регулювання концентрацією в кубі колони за різницею температур кипіння свіжого розчину та еталонної рідини

При розділенні багатокомпонентних сумішей часто використовують принцип регулювання за різницею температур кипіння свіжого розчину та еталонної рідини кубового залишку заданого складу. Останній конденсується в спеціальній камері конденсації 5, в якій розмішується термопара. Друга термопара вимірює температуру кипіння рідини в колоні. Термопари з'єднані диференціально, а різниця їх термоЕРС подається на регулятор Кп (рис. 7.3). Допоміжною координатою може бути витрата теплоносія Рт.

7.1.4 Регулювання процесом ректифікації за допомогою систем співвідношення

Якщо сильним збурюючим параметром є витрата теплоносія та свіжого розчину, то доцільно використовувати АСР співвідношення цих потоків (рис. 7.4). При цьому можна використовувати корекцію за концентрацією цільової концентрації в кубовій рідині. У цьому разі АСР співвідношення є внутрішнім контуром каскадної системи регулювання концентрацією Qк.

Часто при сильному збурюючому впливі концентрації свіжого розчину Qр використовують АСР співвідношення потоків свіжого розчину та флегми. Для поліпшення процесу регулювання вводиться компенсація за концентрацією Qр (рис. 7.5).

7.1.5 Перехресне регулювання температури та рівня в кубовій частині колони

Такий принцип регулювання використовують тоді, коли підлягають розділенню висококонцентровані рідини, причому температура кипіння кубової рідини достатньо близька до дистиляту.

Принцип регулювання грунтується на тому, що рівень кубової рідини змінюється залежно від температури в нижній частині колони. Причому рівень кубової рідини стабілізується зміною витрати теплоносія, який надходить на кип'ятильник 4, а температура - зміною витрати кубової рідини (рис. 7.6).

7.1.6 Регулювання концентрації основної речовини в закріплюючій частині колони

Для більшості ректифікаційних колон цільовим компонентом є пара у верхній частині колони. Тому до неї приділяється особлива увага за стабілізацією концентрації, температури та тиску. Як правило, концентрацію регулюють зміною витрати флегми, яка надходить на зрошення. Якщо немає можливості безпосередньо вимірювати концентрацію основного продукту, то регулювання виконують посередньо за температурою парів у верхній частині колони. Одним із таких методів є метод регулювання складу за різницею температури на різних тарілках (рис. 7.7).

Для поліпшення якості регулювання, особливо при сильних збуреннях з боку витрати флегми та температури парів, які піднімаються з вичерпної колони, часто використовують багатоконтурні АСР. Якщо є можливість безпосередньо вимірювати концентрацію цільового компонента, то при чутливому збуренні за витратою флегми використовують каскадний принцип регулювання, при якому допоміжною координатою є ця витрата (рис. 7.8).

При особливих вимогах, які висуваються до концентрації дистиляту, можна використовувати триконтурну каскадну АСР (рис. 7.9). Із рис. 7.9 випливає, що коректуючий контур виконаний за концентрацією цільового компонента в дистиляті.

7.1.7 Регулювання тиску в колоні

Залежно від величини гідравлічного опору за висотою колони тиск можна стабілізувати як у верхній, так і в нижній її частинах. Типовий метод регулювання тиску зміною витрати холодоносія, що подається на дефлегматор, пов'язаний із великим запізненням. Тому в ректифікаційних колонах тиск у її закріплюючій частині стабілізується іншими методами:

- зміною витрати інертних газів із збірника флегми 5;

- байпасуванням потоку пари;

- зміною парів холодоагента після дефлегматора;

- паровим ежектором.

Перший метод використовують тоді, коли пара основного компонента містить інертну складову, яка не конденсується в дефлегматорі. Роль сепаратора відіграє збірник флегми (рис. 7.10). Він забезпечує запас флегми, необхідний для стабілізації концентрації дистиляту при значних збуреннях. Для підтримування матеріального балансу в цьому збірнику необхідно регулювати рівень флегми зміною витрати дистиляту.

Поліпшити якість регулювання тиску можна за допомогою двох виконавчих механізмів, один з яких установлюється в лінії виходу інертних газів Fi, а інший - у лінії подавання холодоагента Fx.

При використанні методу байпасування частину пари з колони пропускають через дефлегматор у збірник флегми, де вона конденсується (рис. 7.11). Якщо запізнення в системі регулювання необхідно звести до мінімального, то дроселюють пару, яка виходить із колони.

Якщо пари в дефлегматорі конденсуються за рахунок випарювання холодоносія (аміаку, фреону та ін.), то поліпшити якість регулювання можна зміною витрати парів холодоносія, які виходять із дефлегматора. Це приводить до швидкої зміни тиску та температури кипіння холодоносія, а відповідно інтенсивності конденсації пари цільового продукту в дефлегматорі. У цьому разі рівень рідкого холодоносія стабілізується (рис. 7.12).

У разі значного гідравлічного опору колони стабілізація тиску у верхній її частині не забезпечує сталості тиску в нижній. Якщо в колоні розганяється суміш, склад якої чутливіший до зміни тиску, ніж до зміни температури, то стабілізують тиск не лише у верхній, а й у нижній її частині. У цьому разі тиск у кубовій частині колони регулюється, як правило, зміною витрати теплоносія, що надходить на кип'ятильник (рис. 7.13).

Часто використовують каскадний принцип регулювання. При цьому допоміжною координатою може бути температура кипіння кубової рідини.

7.1.8 Регулювання ентальпії свіжого розчину

При значних змінах складу свіжого розчину регулювання температурою не дає необхідного ефекту, оскільки задане регулятору значення температури не завжди відповідає температурі кипіння. У цьому разі доцільно підтримувати сталою ентальпію суміші. Для розрахунку ентальпії встановлюють обчислювальний пристрій (ОП), на вхід якого подають значення концентрації, температури та тиску свіжого розчину (рис. 7.14). Регулюючий вплив вноситься зміною витрати теплоносія, який подається в теплообмінник 1 свіжого розчину.

7.1.9 Регулювання процесу відбору проміжної фракції

При ректифікації багатокомпонентних сумішей деякі компоненти відбирають із проміжної частини колони у вигляді пари. Потім пара конденсується в дефлегматорі 6. Конденсат збирається в ємкість 7, звідки частково повертається в колону, а залишок напрямляється на склад або для подальшої переробки. Щоб забезпечити заданий склад проміжної фракції, на тарілці, з якої вона відбирається, необхідно підтримувати постійний склад, температуру рідини або тиск парів. Який із цих параметрів необхідно брати як регульований, залежить від вимог до чистоти проміжної фракції. Найчастіше регулюючим впливом є витрата флегми Fфп проміжної фракції, яка повертається в колону. Для забезпечення матеріального балансу за проміжною фракцією рівень в ємкості 7 стабілізується завдяки впливу на втрату проміжної фракції Fдп, яка напрямляється на склад.

Якщо до складу продукту у верхній частині колони особливих вимог не висувається, а основною є проміжна фракція, то регулювати склад останньої можна зміною флегми в закріплюючій частині колони.

7.1.10 Автоматичний контроль, сигналізація та системи захисту

Для ведення процесу ректифікації необхідно контролювати такі технологічні параметри: витрати свіжої суміші, дистиляту, флегми, тепло- та холодоносіїв; склад і температуру кінцевих продуктів; температуру свіжого розчину, тепло- та холодоносіїв; рівень рідини в кубі колони; температуру за висотою колони; тиск у верхній і нижній частинах колони, а також перепад цих тисків.

Сигналізації підлягає значне відхилення складу основного продукту, рівня та тиску в колоні від заданих значень.

Система захисту (блокування) має спрацювати, якщо тиск у колоні перевищує припустиме значення або припиниться подавання свіжого розчину. При цьому потоки теплоносіїв на підігрівник 1 і кип’ятильник 4, а також кубового залишку та дистиляту перекриваються, а лінії холодоносія та флегми повністю відкриваються.

7.2 Автоматизація процесів абсорбції

Абсорбція - це вибіркове поглинання компонентів із газових або парогазових сумішей рідинними поглиначами (абсорбентами).

У хімічній промисловості, особливо в процесах синтезу органічних і неорганічних речовин, широко використовують абсорбцію (наприклад, у процесі виробництва аміаку відбувається очищення конвертованого газу від діоксиду вуглецю розчином моноетаноламіну (МЕА) або карсолом). Реакція є оберненою. При низькій температурі та підвищеному парціальному тиску діоксиду вуглецю в абсорбері реакція йде з поглинанням СО2. І, навпаки, при зниженні тиску та підвищенні температури з насиченого розчину абсорбенту інтенсивно виділяється СО2.

Необхідною умовою є виконання процесу абсорбції при мінімумі надлишку зрошення розчином. Підвищивши ступінь карбонізації абсорбенту, можна зменшити витрати теплоти на регенерацію та циркуляцію розчину в системі.

Конвертований газ очищується за двопоточною схемою з регенерацією абсорбенту в регенераторах-рекуператорах. Конвертований газ під тиском 2,7 МПа і температурою не вище 50 °С подається в абсорбер, куди надходить також на зрошення абсорбент з температурою 35...42 °С.

Вміст СО2 у конвертованому газі після нижньої та верхньої секцій абсорбера контролюється. Якщо його вміст перевищує допустиму межу, то спрацьовує сигналізація.

Витрата абсорбенту, що надходить на зрошення абсорбера, підлягає автоматичному регулюванню. Регулюється також рівень розчину в абсорбері. Насичений розчин абсорбенту виходить з нижньої частини колони з вмістом СО2 90... 105 кг/м3 при температурі 57...65 °С.

Функціональну схему автоматизації абсорбера показано на рис. 7.16, де позначено: 1 - теплообмінник конвертованого газу; 2 – абсорбер.

Конвертований газ, який надходить із конвертора оксиду вуглецю, охолоджується в повітряному холодильнику. Температура газу після холодильника стабілізується зміною кута повороту лопатей вентилятора.

Показником ефективності процесу абсорбції є концентрація Qа вилучуваного компонента в абсорбційному газі (абгазі), а мета керування - досягти мінімального значення цієї концентрації.

Кількість компонента, який надходить у колону, визначається витратою газової суміші Fг та початковою концентрацією в ній вилучуваного компонента Qг. Концентрація Qа залежить від витрати газової суміші, концентрацій Qг і Qс де Qс - концентрація моноетаноламіну або карсолу в розчині абсорбенту, відношення витрат Fc І Fг, температури та тиску в колоні.

Зміна витрати газової суміші може бути сильним збуренням, тому по можливості доцільно було б витрати газу стабілізувати. Використовувати її для регулювання недоцільно, оскільки при цьому продуктивність абсорбера може зменшитися.

Концентрації Qг і Qс визначаються режимами інших технологічних процесів, тому з їх зміною в об'єкт вносяться збурюючі впливи.

Відношення Fc І Fг можна підтримувати постійно його стабілізацією, причому змінювати необхідно витрати абсорбенту Fс.

Температура в абсорбері залежить від багатьох факторів: температури, теплоємності та витрат газової та рідинної фаз, інтенсивності масообміну між фазами, а також втрат теплоти. Такі збурення призводять до порушення теплового балансу і відповідно до зміни температури в абсорбері. Щоб забезпечити сталість температури в абсорбері, доцільно було б регулювати її (наприклад, за допомогою холодильника, розміщеного в абсорбері). Якщо кількість теплоти, яка виділяється при поглинанні, невелика, то температура стабілізується зміною витрати або температури абсорбенту.

У розглянутому прикладі тиск в абсорбері спеціально не регулюється, оскільки вся технологічна схема працює під одним і тим самим тиском, який створюють компресори. В інших випадках тиск газу в абсорбері доцільно стабілізувати зміною витрат абгазу.

Якщо в об'єкт надходять сильні збурення у вигляді зміни концентрації витрати Qг та витрати Fг, а до точності концентрації висуваються особливі вимоги, то можна використовувати каскадно-комбінований принцип регулювання (рис. 7.17).

У разі сильного збурення з боку концентрації основного продукту Qг компенсуючий сигнал, сформований компенсатором К, надходить на регулятор стабілізації температури абсорбенту на вході в колону. Компенсуючий сигнал діє так, що в разі збільшення концентрації Qг дещо знижується температура Тс абсорбенту. Це призводить до того, що збільшення температури абсорбції в колоні буде компенсоване зниженням температури абсорбенту. Якщо при цій дії комбінованої АСР не вдається стабілізувати концентрацію Qа, то в роботу вступає каскадна АСР.

Збільшення Qа призведе до збільшення витрат абсорбенту і відповідно до глибшого поглинання основного продукту.

Для оптимального проведення процесу абсорбції, а також при високих вимогах, які висуваються до показників його ефективності, використовують складні багатоконтурні системи регулювання, в яких основну роль відіграють АСР співвідношення витрат газу та абсорбенту (рис. 7.18). При цьому можуть мати місце як компенсуючі, так і коректуючі контури. Регулювання, як правило, проводиться шляхом впливу на витрату абсорбенту. У цьому разі тиск, температура абсорбенту на вході в колону і рівень стабілізуються одноконтурними АСР. Схема, яку показано на рис. 7.18, має компенсуючий контур за концентрацією Qг і коректуючий - за концентрацією Qа.

Основним є регулятор співвідношення . АСР співвідношення потоків являє собою внутрішній контур каскадно-комбінованої системи регулювання концентрацією основного компонента в абгазі. Якщо витрата і концентрація можуть змінюватися в доволі вузьких межах, то достатньо замість регулювання концентрації Qа обмежитися стабілізацією співвідношення потоків Fг і Fc.

Зазначимо, що деякі конструкції абсорберів дуже чутливі до зміни гідростатичного режиму. Навіть неістотна зміна швидкості газу в колоні призводить до нестійких режимів роботи. У таких випадках необхідно стабілізувати не тиск, а його перепад за висотою колони за рахунок впливу на витрати абгазу (рис. 7.19).

Досить часто, наприклад у виробництві аміаку, метанолу, оцтової кислоти використовують режим ре циклу абсорбенту . останні полягає в тому, що частина відпрацьованого (насиченого) абсорбенту повертається в колону. Особливість регулювання процесом при рециклі абсорбенту полягає в тому, що рівень рідини в кубовій частині стабілізується зміною витрати насиченого абсорбенту, який виводиться з колони, а концентрація Qа - зміною витрати абсорбенту (див. рис.7.19).

У цьому разі на зрошення надходить абсорбент, який концентрацію QH вилучуваного компонента.

Автоматичному контролю підлягають витрати газової суміші на вході в колону, абсорбенту на вході в колону та виході з неї; температура газової суміші на вході в колону, абсорбенту на вході в колону, абгазу; температура за висотою колони, холодоносія; концентрація вилучуваного компонента в газовій суміші, абгазі та насиченому абсорбенті; тиск і перепад тиску в колоні (рис 7.20).

Сигналізації підлягають тиск (або перепад тиску) у колоні та концентрація вилучуваного компонента в абгазі при її граничному перевищенні.

Захист колони виконується за тиском. У разі значного перевищення тиску пристрої захисту мають повністю відкривати регулюючий орган у лінії абгазу і закривати в лінії подавання газової суміші та абсорбенту.

7.3 Автоматизація процесів адсорбції

Адсорбцію використовують у промисловості під час очищення та сушіння газів, очищення та освітлення розчинів, а також розділення газових сумішей і парів. Промислові процеси адсорбції поділяють на періодичні та безперервні. Адсорбцію проводять як у нерухомому шарі адсорбенту, так і в рухомому або киплячому шарі.

Десорбція, як правило, нерозривно пов'язана з адсорбцією. Десорбцію виконують такими методами: витісненням з адсорбенту вилучених речовин агентами, які мають вищу поглинаючу здатність, ніж вилучена речовина; випаровуванням вилучених речовин шляхом нагрівання адсорбенту.

Адсорбери з нерухомим шаром адсорбенту належать до періодичних апаратів. Для керування ними встановлюють програмні пристрої, які за жорсткою програмою виконують такі операції: відкривають подавання і вихід газової суміші (клапани 1 і 2); закривають подавання перегрітої пари (клапани 3 і 6) при проведенні адсорбції; закривають клапани 1, 2, 4, 5, 7, 8 для виконання операції десорбції; відкривають клапани 4 і 7 і закривають клапани 1, 2, 3, 4, 6 і 8 при виконанні операції охолодження адсорбент; відкривають лінію стоку конденсату (клапан 8).

Схему регулювання адсорбером з нерухомим шаром адсорбенту показано на рис. 7.21, де позначено: 1 - адсорбер; 2 – програматор.

Якщо необхідно стабілізувати витрати перегрітої пари Fnn гарячого повітря Fгп, холодного повітря Fxn та газової суміші Fгс, використовують одноконтурні АСР. Клапани в лініях парогазової суміші Fпгс, повітря в атмосферу Fпа, газу на виході адсорбера F0 та зливу конденсату Fк є технологічними і керуються лише програматором 2.

Розглянемо просочувальний безперервно діючий адсорбер з киплячим,шаром дрібнозернистого адсорбенту на тарілках (рис. 7.22).

Показником ефективності процесу є концентрація вилучуваного компонента з газової суміші. Основним є контур регулювання стабілізацією концентрації вилучуваного компонента в газовій суміші на виході з адсорбера. При цьому регулюючий вплив відбувається зміною витрати адсорбенту. Для усунення збурення по каналу витрати газової суміші остання стабілізується.

Одним із важливих параметрів процесу адсорбції в киплячому шарі є перепад тиску за висотою колони. У разі постійної витрати газової суміші цей параметр визначається масою адсорбенту на тарілках, тому регулюючий вплив доцільно виконувати зміною витрати адсорбенту, наприклад, за каскадним принципом (див. рис. 7.22).

Контролю підлягають витрата Fг, концентрація основного компонента Qг температура Тг газової суміші; температура адсорбенту і за висотою колони; перепад тиску за висотою колони; концентрація Q основного компонента на виході адсорбера в газовій суміші з витратою Fго.

Сигналізації підлягає концентрація Q в газовій суміші на виході з колони і тиск у ній. Якщо тиск у колоні різко підвищується, система захисту має перекривати витрату адсорбенту Fа.

7.4 Автоматизація процесів сушіння

Сушіння – це процес вилучення вологи з матеріалу випарювання її. Для сушіння необхідно до висушуваного матеріалу підводити теплоту, завдяки якій відбувається випарювання вологи. За принципом дії сушильні апарати поділяються на періодичні та безперервні; залежно від теплоносія – на повітряні, газові і парові; за тиском – на атмосферні та вакуумні; за напрямом руху матеріалу – на прямо-, проти точні, із перехресним рухом; за станом шару висушуваного матеріалу в апараті – з нерухомим, рухомим, висячим і фонтануючим шаром. Сушильні агрегати залежно від способу підведення теплоти до висушуваного матеріалу поділяють на три групи: контактні, конвективні (повітряні та газові) і спеціальні (радіаційні, високочастотні та сублімаційні).

Така різноманітність принципів сушіння певною мірою впливає на принципи автоматизації сушильних апаратів. Показником ефективності процесу сушіння є вологість матеріалу, який виходить з апарату, а мета керування – підтримати цей параметр на заданому рівні.

Вологість сухого матеріалу визначається, з одного боку, кількістю вологи, що надходить із вологим матеріалом, а з іншого – кількістю вологи, виведеної з нього в процесі сушіння. Кількість вологи, яка поглинається сушильним агентом, визначається в основному площею поверхні контакту сушильного агента та матеріалу, а також середньою рушійною силою процесу. Вологість сушильного агента залежить від його витрати: чим вона більша, тим менша вологість. Зі зміною витрати сушильного агента в об’єкт вноситимуться істотні регулюючі впливи.

Рушійна сила процесу залежить від температури сушіння та розрідження в апараті. Розрідження легко регулюється зміною витрати сушильного агента, який виводиться з апарата. Температура визначається всіма початковими параметрами, а також інтенсивністю випарювання вологи з мокрого матеріалу. Стабілізувати її можна зміною або витрати сушильного агента, або його температури.

Таким чином, усі параметри, які впливають на показник ефективності, стабілізувати не можна. Наприклад, збурення виникатимуть у результаті зміни початкової вологості матеріалу, сушильного агента, гранулометричного складу матеріалу та інших факторів.

7.4.1 Регулювання барабанного прямоточного сушильного агрегату

Такий агрегат належить до сушильних апаратів безперервної дії. Вологість сухого матеріалу визначається кількістю вологи, що надходить із вологим матеріалом, і кількістю вологи, що виділяється з нього в процесі сушіння. Кількість вологи, що надходить із вологим матеріалом, залежить від витрати матеріалу та його вологості.

Витрата матеріалу Fм визначається продуктивністю сушильного апарата і, як правило, має бути сталою. Тому доцільно було б стабілізувати витрату вологого матеріалу, що забезпечує задану продуктивність і усуває збурення по цьому каналу.

У барабані може змінюватись розподіл матеріалу, а також гідродинамічні умови його обтікання сушильним агентом. У зв’язку із цим основним регульованим параметром доцільно вважати вологість матеріалу, а регулюючий вплив здійснювати зміною витрати сушильного агента. Співвідношення між витратами палива FT та повітря Fn забезпечується регулятором співвідношення.

Температура сушильного агента на вході в барабан має бути стабілізована зміною витрати вторинного повітря Fв. Необхідно також регулювати витрату вологого матеріалу та розрідження в апараті (рис. 7.23).

При керування процесом сушіння необхідно контролювати витрати палива, первинного та вторинного повітря, вологого та сухого матеріалу, температуру сушильного агента на вході в апарат і виході з нього, температуру всередині апарата, розрідження в змішувальній камері.

Для поліпшення процесу регулювання доцільно використовувати каскадну АСР температури на виході з апарата, в якій допоміжною координатою є температура в середній частині барабана.

7.4.2 Регулювання протиточного сушильного апарата

У протиточних сушильних апаратах для попередження розкладу матеріалу під дією високих температур основою регульованою координатою можна використати температуру матеріалу на виході з апарата. При цьому регулюючим впливом може бути зміна витрати сушильного агента Fn. Температуру повітря на виході в барабан регулюють зміною витрати теплоносія FT, який подається в повітронагрівник, а вологість – зміною витрати ре циркулюючого повітря Fp.

Зазначимо, що зміну витрати сушильного агента в протиточному сушильному апараті можна здійснити залежно від вологості сухого матеріалу або температури в барабані.

Аналогічно можна автоматизувати сушильні агрегати інших принципів роботи, наприклад конвеєрні, радіаційні, струменеві, апарати з киплячим шаром та ін.

Тема №8 АВТОМАТИЗАЦІЯ МЕХАНІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

8.1 Автоматизація транспортування твердих матеріалів

8.1.1 Загальні відомості. Типова схема автоматизації

В якості об’єкту керування процесом транспортування твердих матеріалів візьмемо стрічковий транспортер, що транспортує сипучій матеріал. Показником ефективності цього процесу є витрата транспортованого матеріалу, а метою керування будемо вважати підтримання заданого значення розчину. В зв’язку з тим, що всі збурення на вході в об’єкт (зміна гранулометричного складу матеріалу, його вологості і насипної маси, проковзуванням стрічки транспортера) усунути неможливо, витрату матеріалу слід прийняти в якості регульованої величини і регулювати її коректуванням роботи дозуючих приладів.

Контролю підлягають витрата транспортованого матеріалу і кількість спожитої приводом електроенергії. При різкому зростанні струму через електродвигун привода транспортера, наприклад, у випадку заклинення стрічки, повинні спрацювати пристрої сигналізації і захисту, що відключать двигун транспортера.

В зв’язку з можливістю забруднення певних ділянок транспортної системи сторонніми включеннями (грудками, налиплим матеріалом), а також виходу з ладу окремих елементів транспортера контролюється і сигналізується також наявність потоку матеріалу з допомогою спеціального датчика.

Слід зазначити, що типові схеми автоматизації стрічкового транспортеру при переміщенні штучних вантажів аналогічні, але в якості регульованої величини в цьому випадку необхідно прийняти число одиниць вантажу за одиницю часу, а регулюючий вплив здійснювати коректуванням роботи вантажних пристроїв.

8.1.2 Цілі керування процесом транспортування

В залежності від вимог, що висуває наступний по ходу транспортованого матеріалу технологічний процес, перед транспортним пристроєм можуть ставитись різні задачі.

1. Стабілізація середньої витрати за час. Це завдання ставиться найчастіше і вирішується з допомогою відносно простих приладів.

На рис. (8.2) показані схеми, що забезпечують вимірювання середньої витрати за певний період часу. Принцип дії вказаних приладів базується на вимірюванні зусиль, що виникають за рахунок сил тяжіння матеріалу. Зусилля F, що сприймаються щупом від транспортера і передаються на перетворювач, можуть бути розраховані по рівнянню:

V – об’ємні витрати матеріалу; ρ – густина матеріалу; g – прискорення вільного падіння; τ – час; L – довжина сприймаючої силу стрічки; v – швидкість стрічки

В промисловості використовують декілька варіантів конструкцій приладів вимірювання середньої за певний час витрати: з встановленням всіє рами транспортера на чутливому елементі (рис. 8.2, а); з розміщенням одного кінця рами на елементі, а другого – на рухомій опорі, яка може переміщуватись вздовж рами і тим самим змінювати зусилля, поступаючи на елемент (рис. 8.2, б); з виділенням на транспортері витрато-вимірювальної частини, довжину якої можна міняти переміщенням роликів (рис. 8.2, в).

2. Підтримка заданого миттєвого значення витрати. Це завдання вирішити значно складніше, по-перше, внаслідок флуктуацій витрати, що викликається зміною перерізу прохідного отвору дозатора при проходженні через нього матеріалу, і, по-друге, через складність вимірювання миттєвої витрати. Для вимірювання миттєвої витрати використовують складні прилади, в які входять елементи обчислювальної техніки.

3. Забезпечення певної сумарної кількості матеріалу за певний цикл роботи. Таку задачу необхідно вирішить, наприклад, при складанні шихти, упакуванню певних порцій матеріалу і т.д. В якості приладів, що забезпечують певну порцію матеріалу, використовують автоматичні ваги, що забезпечують зважування матеріалу, завантаження і розвантаження бункера.

8.1.3 Внесення регулюючих впливів шляхом зміни швидкості транспортера

Коли між бункером і транспортером відсутній дозатор, режим якого визначає подачу матеріалу на стрічку, витрата матеріалу буде залежати від швидкості стрічки (чим більша швидкість, тим більша витрата, і навпаки). При такій технологічній схемі регулюючі впливи можуть бути здійснені зміною швидкості стрічки. Найбільш розповсюдженим способом зміни швидкості являється використання електромагнітних муфт, систем з перетворенням частоти струму і двигунів постійного струму.

8.1.4 Системи автоматичного керування транспортерами

Пристрої автоматичного керування транспортерами повинні забезпечувати не тільки регулювання витрати вантажу, але і автоматичний пуск, зупинку, а в окремих випадках і реверсування електродвигунів цих транспортерів. Сигнали на виконання тієї чи іншої операції можуть поступати від командного пристрою, або від шляхових вимикачів і реле швидкості. Використовуються і комбіновані системи, наприклад, система керування пульсуючим транспортером. Пульсуючий транспортер повинен доставити виріб до апарату, зупинити роботу на деякий проміжок часу, необхідний для загрузки виробу в апарат, ввімкнутись знову і працювати до того часу, поки наступний виріб не досягне апарату. Електрична схема, з допомогою якої автоматично виконується зміна операцій, показана на рис.

Первинний пуск транспортера здійснюється натисненням кнопки S2. Коло котушки K1 магнітного пускача замикається. Своїм контактом K1.4 він блокує кнопку S2, а контактами K1.1-K1.3 замикає силове коло електродвигуна транспортера M. Двигун починає працювати, транспортер починає рухатись. При досягненні виробом апарату спрацьовує кінцевий вимикач, на який діє опір ходової частини транспортера. Положення опору на стрічці строго відповідає положенню виробу. Контакт S4.1 кінцевого вимикача розриває коло пускача K1, і двигун M вимикається; контакт кінцевого вимикача S4.2 замикає круг реле часу K4. Таким чином, зупинка транспортера може відбутися тільки в тому випадку, коли виріб буде знаходитись навпроти апарату, тобто відбувається залежно від стану об’єкта.

По завершенні певного періоду часу контакт K4.2 реле замкнеться, і котушка пускача K1 знову потрапить під напругу, так як контакт S4.1 блокований контактом K4.1. В даному випадку пуск транспортера здійснюється по раніше заданій програмі шляхом відповідної настройки реле часу незалежно від того, встигли загрузити виріб у апарат чи ні.

8.2 Автоматизація процесів подрібнення твердих матеріалів.

8.2.1 Загальні відомості

В якості об’єкта керування при автоматизації процесу подрібнення приймемо барабанний млин сухого помолу. Показником ефективності при керуванні даним процесом є розмір частинок подрібненого матеріалу (товщина помолу), а ціллю керування – підтримання визначеного кінцевого гранулометричного складу матеріалу.

Гранулометричний склад визначається, з одного боку, властивостями матеріалу, що подрібнюється (твердістю, вологістю, густиною, розмірами частинок) і кількістю його в барабані, а з іншого боку – кінетичною енергією, з якою шари матеріалу взаємодіють між собою.

На ділянку подрібнення, як правило, подається різнорідний матеріал, тому в об’єкт керування будуть надходити збурення. Стабілізувати властивості, що подається у млин, неможливо. Єдиною можливістю зменшити частоту і силу збурення є перемішування різних партій сировини з ціллю усереднення їх характеристик.

Кількість матеріалу М в барабані буде визначатись витратами сировини або кінцевого продукту. Залежність між ними визначається за формулою:

де k - коефіцієнт, що враховує вплив властивості матеріалу, швидкості обертання барабана, ступеня заповнення барабана матеріалом та інших параметрів; ці параметри (крім V) є або постійними величинами, або їх неможливо стабілізувати;

F – витрата сировини або кінцевого продукту.

Таким чином, кількість матеріалу в барабані може бути стабілізована шляхом зміни витрати сировини або кінцевого продукту, а також швидкості обертання барабана.

Кінетична енергія, з якою шари діють на матеріал, залежить від висоти падіння окремого шару і числа співударів шарів в одиницю часу. Зрозуміло, що із збільшенням цих параметрів інтенсивність подрібнення зросте. Висота падіння шару залежить від швидкості обертання. До певної допустимої межі вона зростає, при більш високій швидкості – починає зменшуватись.

Число співударів шарів можна визначити по формулі:

де ηn - число падінь шару за один оберт барабана;

V - швидкість обертання барабана;

N - кількість шарів у млині (величина постійна).

Число ηn залежить також від швидкості обертання V, із зменшенням V значення ηn збільшується.

Висоту падіння та число співударів шарів можна стабілізувати підтримуючи постійну швидкість V, зміною цього параметра можна здійснювати регулюючу дію.

Практика показує, що для підтримки заданих розмірів частинок подрібненого матеріалу, зміна швидкості V не повинна перевищувати 20-30% від номінального значення.

Отже, основною регулюємою величиною слід прийняти гранулометричний склад кінцевого продукту, а регулюючу дію здійснювати зміною швидкості обертання барабана. При цьому слід стабілізувати витрату матеріалу, що ліквідує збурення по цьому каналу і постійну виробничу потужність подрібнювача.

Зауваження: в деяких випадках в промисловості при відсутності безперервно діючих датчиків розмірів твердих частинок, обмежуються стабілізацією допоміжного параметра – кількістю матеріалу в барабані, який і буде одним з головних параметрів процесу. Він реагує практично на всі параметри, що визначають розміри частинок.

Об’єм матеріалу M не піддається точному безпосередньому вимірюванню. На практиці ця регулюєма величина визначається допоміжними методами: по силі струму електродвигуна млина, вібрації барабана чи опори млина, по амплітуді шуму, що створює млин. Найбільше поширення отримав останній метод.

Контролю в даному процесі підлягає витрата матеріалу, амплітуда шуму, що створює млин, кількість спожитої електричної енергії.

Аналізується стан барабана – включений він чи виключений. Крім того, встановлюються пристрої пуску і зупинки двигунів подрібнювача.

8.2.2 Регулювання барабанних млинів мокрого помолу

Автоматизувати ці мелення складніше ніж млини сухого помолу, через появу додаткового рідинного потоку. Витрату води, що подається в млин, слід стабілізувати або змінювати в залежності від кількості матеріалу в млині.

В якості регулюємої величини приймається густина суспензії, яка достатньо точно характеризує товщину подрібнення.

8.2.3 Регулювання об’єму матеріалу шляхом зміни витрати сировини

Якщо для наступного за процесом переміщення технологічного процесу не вимагається постійна витрата подрібненої речовини, то регулюючу дію при стабілізації кількості матеріалу M можна здійснювати зміною витрати сировини. Режим роботи дозуючих пристроїв при цьому повинен відповідати заданому об’єму матеріалу в барабанному млині, а всі інші параметри процесу слід підтримувати постійними.

При використанні млинів мокрого помолу можна стабілізувати об’єм матеріалу зміною не тільки витрати матеріалу M, але і витрати суспензії. Для цього встановлюють регулятор, який закриває чи відкриває зливний отвір млина.

8.2.4 Регулювання млинів, які працюють по замкненому циклу

При роботі млинів по замкненому циклу (рис. 8.6), матеріал після помолу чи суспензія поступають у спіральний гідравлічний класифікатор, в якому відбувається сортування зерен матеріалу. Для класифікації зерен туди подають воду. Дрібні зерна матеріалу видаляють з класифікатора в злив, а крупні повертають в млин в якості рецикла.

Для підтримки нормального режиму класифікатора необхідно встановити автоматичний регулятор, який забезпечить повернення крупних зерен матеріалу в млин. Крупність зерен після класифікатора визначають по величині густини суспензії.

Регулюючу дію при стабілізації густини суспензії можна вносити декількома способами. Найбільш простим і розповсюдженим є зміна витрати води, яка подається в класифікатор. Цей спосіб потребує плавної і повільної зміни швидкості подачі води. В протилежному випадку порушується нормальний технологічний режим класифікатора. Після різкої зміни витрати води режим відновлюється не раніше ніж через 10 хвилин.

Більш бажаною регулюючою дією є така, що не зв’язана з зміною подачі води. Наприклад, можна регулювати густину суспензії шляхом зміни швидкості обертання барабана або величини підйому спіралі класифікатора. Більш ефективним є останній метод, при якому можна змінювати витрату рецикла в дуже широкому діапазоні (від нуля при повному підйомі спіралі до 100% при самому нижньому положенні). Цей метод легко здійснюється на класифікаторах сучасних конструкцій.

8.2.5 Регулювання щокових подрібнювачів

При подрібненні матеріалу в щокових подрібнювачах в першу чергу слід забезпечити їх рівномірне завантаження. Це досягається шляхом коректування роботи живильників в залежності від потужності подрібнювача. Вибір регулюємої величини зумовлений жорсткою залежністю між виробничою потужністю подрібнювача і потужністю (струмом) його електропривода.

8.3 Автоматизація процесів дозування та змішування твердих матеріалів

8.3.1 Загальні відомості. Фізичні основи процесу

В якості ОК приймемо дозатор перервної дії зі стрічковим транспортером. Показником ефективності процесу є витрата матеріалу, що дозується. Ціллю керування є підтримання визначеного значення цієї витрати.

Масова витрата матеріалу через стрічковий транспортер визначається за рівнянням:

Із зміною всіх визначаючих параметрів в об’єкт можуть надходити відповідні збурення.

Площа рівна добутку ширини стрічки в (величина постійна) на висоту відкриття заслінки h. Площа на виході буде періодично зменшуватись при проходженні частинок матеріалу, які будуть зменшувати прохідний отвір. Приймається, що частинки (куски) матеріалу мають форму кулі з еквівалентним діаметром dекв. Тоді матимемо поправку h1 до висоти h, яка врахує зменшення площі S:

Таким чином, площа S визначається рівнянням:

і залежатиме від висоти, відкриття заслінки h і діаметра частинок dекв. Висоту відкриття заслінки h порівняно просто стабілізувати, або змінювати при дозуванні. Діаметр dекв визначається процесом подрібнення, який передує процесу дозування.

Швидкість v також може змінюватись при коливання напруги і частоти струму в електричній мережі двигуна дозатора, а також при ковзанні приводних пасів і стрічки транспортера на ведучому барабані. Шляхом ціленапрямленої зміни швидкості v з допомогою варіатора чи іншого спеціального обладнання можна здійснювати регулюючу дію.

Через зміну насипної густини ρ (в залежності від попереднього технологічного процесу, через метеорологічні умови і вологість навколишнього середовища) буде змінюватись внутрішнє тертя, що є сильним збуренням.

Отже в об’єкт будуть надходити ті чи інші збурення для компенсації яких потрібно вносити регулюючу дію шляхом зміни ступеня відкриття заслінки, або швидкості переміщення матеріалу.

Регулюючою величиною буде витрата матеріалу, що дозується.

Контролювати слід витрату матеріалу і його кількість, а сигналізувати значні відхилення витрати від заданого значення та стан привода дозатора (вкл/викл) у випадку повного припинення подачі матеріалу на стрічку дозатора та ін. механізмів.

8.3.2 Регулювання дозатора з стрічковим транспортером та регуляторами прямої дії

Регулятори прямої дії у вигляді системи важелів знайшли широке застосування для керування стрічковими транспортерами завдяки простоті і надійності конструкції.

Рама транспортера використовується в якості задавача витрати. В цьому випадку, вона зв’язана через систему важелів із заслінкою, яка змінить переріз прохідного отвору при зміні маси матеріалу на стрічці. Описаний пристрій відноситься до П-регулятора.

8.3.3 Регулювання дозатора з стрічковим транспортером за допомогою двоконтурної системи

При використанні швидкості стрічки транспортера в якості каналу для внесення регулюючої дії можна досягти покращення якості регулювання, при використанні каскадно-зв’язаного регулювання. Тут основним регулятором є регулятор витрати дозує мого матеріалу, а допоміжний – регулятор швидкості руху стрічки.

8.3.4 Регулювання дозаторів з розділеним потоком дозованого матеріалу

Потік дозованого матеріалу ділиться на нерегулюємий (80-90% всього матеріалу) і регулюємий.

Нерегулюємий потік надходить на транспортер, рама якого діє на перетворювач регулятора і в залежності від маси матеріалу, що надійшов змінюється витрата регулює мого потоку, таким чином, щоб сумарна витрата була рівна заданій.

Тема №9 АВТОМАТИЗАЦІЯ ГІДРОМЕХАНІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

9.1 Автоматизація реакторів. Автоматизація процесу змішування рідин

9.1.1 Загальні відомості

Хімічний реактор є основним апаратом технологічної схеми одержання практично будь-якого хімічного продукту.

Задачі керування безперервними та періодичними реакторами значно відрізняються. Для перших характерні задачі стабілізації параметрів на заданих значеннях, а для других – проведення процесу за заданою програмою.

За динамічними характеристиками хімічні реактори дуже різні: в одних процеси протікають досить швидко (наприклад, синтез аміаку, полімеризація етилену під високим тиском), для яких сталі часу можуть дорівнювати від одиниць до десятків секунд; інші реактори досить інерційні, а їх сталі часу вже становлять до десятків хвилин. Істотною особливістю хімічних реакторів є значна нелінійність характеристик, що ускладнює їх автоматизацію.

Показником ефективності процесу хімічного перетворення є одержання нового продукту із заданою концентрацією. Мета керування – забезпечити цей показник на заданому рівні.

На процес реакції істотно впливають різні збурюючи фактори, які призводять до того, що швидкість, властива хімічній реакції, не завжди визначає швидкість перетворення реагуючих речовин. Такі фізичні явища, як теплообмін, перенесення маси, рух потоків і їх взаємне перемішування істотно впливають на технологічний процес. До сильних збурюючи факторів насамперед належать температура, тиск і концентрації початкових речовин.

Хімічні процеси завжди супроводжуються виділенням або поглинанням теплоти. Тепловий ефект процесу може значно змінити температуру реакційного об’єму і, як наслідок, швидкість другорядних реакцій.

Тиск відіграє значну роль для швидкості хімічних процесів, які протікають за участю газу або парів.

Температуру та тиск завжди можна стабілізувати шляхом впливу на витрату відповідно холодоносія чи газу. Концентрації реагуючих речовин стабілізувати неможливо, тому що вони створюють сильні збурення.

Крім розглянутих збурень на швидкість процесу можуть впливати також інші фактори, наприклад якість каталізатора, теплоємність, наявність вологи та ін.

9.1.2 Регулювання реакторів безперервної дії.

До них належать як газові, так і рідинні реактори. Особливість реакторів безперервної дії полягає в тому, що в них подається два або більше матеріальних потоків, між якими проходить хімічна реакція. Якщо до процесу не висувається особливих вимог, то можна використовувати одноконтурне регулювання. На рис. 9.1 показано схему рідинного ректора з двома вхідними потоками F1 і F2, які безперервно подаються в апарат 9 мішалкою.

Рис. 9.1 Схема од контурного регулювання реактором безперервної дії

Загальний матеріальний баланс реактора забезпечується стабілізацією рівня реагуючої рідини шляхом зміни витрати Fn. Для виключення сильного збурення з боку витрати F1 останній стабілізується. Концентрація Q цільової речовини регулюється зміною витрати F2 другого потоку. Температура реакції стабілізується зміною витрати Fx холодоносія, який подається в оболонку реактора, якщо реакція екзотермічні, або теплоносія, якщо реакція ендотермічна.

Сильними збурюючими факторами реактора будуть концентрації Q1, Q2 і температури T1, T2 вхідних потоків. За наявності сильних збурень і особливих вимог до якості регулювання використовують багатоконтурні АСР (рис. 9.2). Системи регулювання є каскадними. Для стабілізації концентрації Q цільової речовини допоміжна координата являє собою співвідношення витрат F1 і F2. Допоміжною координатою для каскадної АСР температурою є температура теплоносія (холодоносія) на виході з оболонки реактора.

Газовий реактор вирізняється тим, що два потоки попередньо змішуються, підігріваються до відповідної температури, а тоді під тиском сумарний газовий потік подається до реактора, в якому розміщений каталізатор. Характерним для такого реактора є забезпечення стабільності співвідношення потоків до змішувача. Тиск стабілізується за допомогою компресорної установки. У багатьох випадках температуру в реакторі не стабілізують, але в разі потреби її можна регулювати впливом на витрату ведучого газового потоку F1 (рис. 9.3).

9.1.3 Регулювання реакторів напівбезперервної дії

Від реакторів безперервної дії вони відрізняються тим, що одна або дві реагуючі між собою речовини попередньо завантажуються в реактор за об’ємом або масою M, а після цього в апарат дозується додатковий реагент або каталізатор. Розвантажується такий реактор періодично після закінчення реакції. Кінець реакції визначають або за концентрацією цільового продукту, або за часом перебування реакційної маси в апараті, або за температурою реакції. В останньому випадку реагент подається відповідними дозами.

Якщо основним параметром є температура реакції, то її, як правило, стабілізують зміною витрати допоміжного реагента Fд. У цьому разі витрату холодоносія стабілізують (рис. 9.4).

У багатьох випадках висувають жорсткі вимоги до температури реакції, а в перехідних режимах її перерегулювання не допускається. Тоді доцільно використовувати каскадний принцип її стабілізації. Допоміжною координатою, як правило, є температура холодоносія на виході з оболонки реактора (рис. 9.5). Додатковий реагент або каталізатор дозується за концентрацією найвпливовішого компонента реакційної маси.

9.1.4 Регулювання реакторів періодичної дії

Найбільшого поширення реактори періодичної дії дістали в так званій малотоннажній хімії, наприклад для виробництва барвників і напівпродуктів органічного синтезу. Необхідні реагуючі речовини M1 і M2 попередньо завантажують у реактор і нагрівають реагуючу масу для збільшення швидкості реакції. Коли процес реакції почався, то температуру в реакторі зменшують до необхідної. Таким чином, особливість регулювання полягає в тому, що температуру реакції необхідно змінювати за відповідними показниками або за програмою протягом усього циклу технологічного процесу. Кінець реакції, як правило, визначають за концентрацією продукту реакції. Після закінчення її реактор розвантажують.

При невисоких вимогах до температурного режиму можна використовувати одноконтурну АСР температурою реакції. Регулюючою величиною є витрата теплоносія, що надходить в оболонку реактора (рис. 9.6). Температурний режим змінюється за допомогою програмного задавача 1. На нього покладаються такі функції: увімкнення ліні подавання теплоносія після завантаження реактора, зміна температурного режиму в реакторі протягом усього технологічного процесу і вимкнення лінії теплоносія після закінчення реакції.

Якщо до якості регулювання температури висуваються особливі вимоги, а основним джерелом збурення є витрата теплоносія, то в таких випадках доцільно використовувати три контурну каскадну АСР, в якій допоміжними координатами будуть витрата теплоносія FT і температура конденсата на виході з реактора (рис. 9.7).

9.1.5 Регулювання трубчастими реакторами

Трубчасті реактори використовують для проведення газофазових високоекзотермічних процесів. Вони дають змогу забезпечувати вищий ступінь конверсії, ніж реактори зміщення, оскільки значна кількість теплоти, що виділяється в процесі реакції, відводиться через стінку реактора. Трубчасті реактори належать до об’єктів із сильно розподіленими параметрами. Швидкість руху газової суміші за довжиною реактора вважається сталою, а змінними параметрами є концентрація нового продукту та температура. Зміна концентрації за довжиною реактора визначається швидкістю хімічної реакції, а температура змінюється в результаті виділення теплоти хімічної реакції та внаслідок теплопередачі через стінку реактора.

Аналіз технологічного процесу показує, що незначні зміни швидкості V газового потоку, концентрації Q та температури T на вході реактора можуть призводити до істотної зміни температурного профілю за довжиною реактора. При цьому максимальна температура в реакторі може значно перевищувати гранично допустиму.

Складність регулювання трубчастим реактором полягає в тому, що необхідно керувати розподілом температури за довжиною реактора. Змінним параметром, за яким стабілізується температура в реакторі, є її максимальне значення. При цьому в систему регулювання вмикають спеціальний блок вибору максимуму або підмикають до регулятора температурний датчик, який установлюється за довжиною реактора в зоні, де має місце максимальна температура.

9.2 Автоматизація процесів переміщення рідин

9.2.1 Типове рішення автоматизації

Схема автоматизації розроблятиметься одночасно для процесів переміщення як рідин, так і газів, оскільки при швидкості газу менше швидкості звуку рух рідин і газів характеризується одними і тими ж законами.

Як об’єкт управління приймемо трубопровід 6, по якому транспортується рідина від апарату 1 до апарату 8, і відцентровий насос (компресор) 2 з приводом від асинхронного двигуна 4, що забезпечує її переміщення (рис. 9.8). Показником ефективності даного процесу служить витрата G переміщуваної рідини.

Процес переміщення в хімічній промисловості є допоміжним; його необхідно проводити таким чином, щоб забезпечувався ефективний режим основного процесу, обслуговуваного даною установкою переміщення. У зв’язку з цим витрата G повинна підтримуватися на визначеному, найчастіше постійному значенні. Тому метою управління процесом переміщення вважатимемо підтримку постійної витрати рідини в трубопроводі.

Проведемо аналіз об’єкту з метою виявлення збурень, можливості їх ліквідації і шляхів внесення дій, що управляють.

Масова витрата рідини в трубопроводі визначається по формуліbr>

де V – швидкість переміщення рідини в трубопроводі; F – поперечний перетин трубопроводу; ρ – густина рідини.

Швидкість V залежить в загальному випадку від наступних параметрів:

де ∆P – рушійна сила процесу (різниця тиску на початку Рп і в кінці Рк трубопроводу); μ – динамічна в’язкість переміщуваної рідини.

Рушійна сила ∆P залежить від характеристик насоса (числа обертів вала і кута нахилу лопаток), від тиску в апаратах куди і звідки переміщається рідина і від загального гідравлічного опору трубопроводу (опорів власне трубопроводу, поворотів, звужені і запірні арматури, разом взятих).

Насос нормального виконання з асинхронним двигуном як привід має постійні характеристики. Використовуючи спеціальне устаткування, із зміною цих показників в об’єкт можуть бути внесені регулюючі дії.

Тиск в апаратах 1 і 8 визначається технологічним режимом процесів, що протікають в них. Якщо режим передбачає зміну тиску, то по даних каналах в об’єкт управління поступатимуть збурення.

Загальний гідравлічний опір трубопроводу може мінятися з багатьох причин. Його можна стабілізувати або ж цілеспрямовано змінювати переміщенням рухомої частини дросельного органу (вентилі, клапани, заслінки), встановленого на трубопроводі (дросельне регулювання). Ефективність такої регулюючої дії видно, наприклад, з приведених нижче даних для поворотної заслінки:

α………5 10 20 30 40 45 50 60 65

£………0,24 0,52 1,54 3,91 10,8 18,7 32,6 118 715

Щонайменші зміни кута повороту заслінки α викликають значні зміни її коефіцієнта гідравлічного опору £.

В’язкість μ і густина ρ переміщуваної рідини визначаються технологічним режимом попереднього процесу, тому їх зміни є збурюючими діями, ліквідовувати які при управління даним процесом неможливо.

Аналіз об’єкту управління показав, що велику частину збурюючих дій не вдається ліквідовувати. Враховуючи це, за регульовану величину необхідно взяти безпосередньо показник ефективності – витрата G. Найбільш простим способом регулювання при цьому є зміна положення дросельного органу.

При пуску, наладці і підтримці нормального режиму процесу переміщення необхідно контролювати витрату G, а також тиск у всмоктуючій і нагнітальній лініях насоса; для правильної експлуатації установки переміщення потрібно контролювати температуру підшипників і обмоток електродвигуна насоса, температуру і тиск мастила і охолоджувальної рідини; для підрахунку техніко-економічних показників процесу слід контролювати кількість енергії, споживаної приводом.

Сигналізації підлягає тиск в лінії нагнітання, оскільки значна зміна його свідчить про серйозні порушення процесу. Крім того, слід сигналізувати температуру рідини в лінії нагнітання, тиск у всмоктуючій лінії, тиск і наявність потоку в системі змащення і охолодження, температуру підшипників і обмоток електродвигуна, масла і води. Сигналізується також положення засувок в лініях всмоктування і нагнітання, що управляє пуском і зупинкою насоса.

Якщо тиск в лінії нагнітання Рп або параметри, що характеризують стан об’єкту, продовжують змінюватися, не дивлячись на вжиті обслуговуючим персоналом заходи, то повинні спрацювати автоматичні пристрої захисту. Вони відключають діючий апарат переміщення і включають резервний (не малюнку не показаний).

Розглянемо, як зміниться приведена схема автоматизації при інших цілях управління, при використанні поршневих машин в якості апаратів переміщення, застосування спеціальних конструкції насосів, компресорів і приводів для них.

9.2.2 Регулювання при різних цілях управління

Часто установка переміщення повинна забезпечити стабілізацію якого-небудь параметра процесу, передуючого процесу переміщення або наступного за ним. Наприклад, при переміщенні газу в апарат може бути поставлене наступне завдання: зміною витрати газу підтримувати постійний тиск в цьому апараті. Часто застосовують схему, в якій зміною витрати рідини в трубопроводі стабілізується рівень в апараті.

Враховуючи різноманіття процесів хімічної технології і завдань, які ставляться перед ними, можна сказати, що як регульована величина при переміщенні потоків можуть служити будь-які параметри цих процесів: температура, концентрація, щільність, товщина плівки, час і т.д.

Якщо наперед відомо, що на установку переміщення поступатимуть збурюючі чинники, що приводять до зміни витрати і, отже, регульованої величини в наступному апараті, слід застосувати багатоконтурну систему регулювання. Основним регулятором в цій системі біде регулятор параметра, постійність якого слід забезпечити, а допоміжним – регулятор витрати. Необхідність в багатоконтурній системі регулювання виникає, наприклад, у випадку, якщо тиск в апараті буде змінним. При використанні одно контурної системи регулювання зміна тиску спричинила б за собою зміну рушійної сили процесу переміщення (∆P), а потім і витрати рідини. Це, у свою чергу, приведе до зміни рівня. При використанні двоконтурної системи регулювання допоміжний регулятор витрати наперед, до зміни рівня, відпрацьовує регулюючу дію і компенсує зміну тиску.

9.2.3 Регулювання методом дроселювання потоку в байпасному трубопроводі

При використанні поршневих насосів (компресорів) регулюючі органи не можна встановлювати на нагнітальному трубопроводі, оскільки зміна ступеня відкриття такого органу приводить лише до зміни тиску в нагнітальній лінії, витрата ж залишається постійною. Якщо ж регулюючий орган закриється повністю, це приведе до такого підвищення тиску, при якому може відбутися розрив трубопроводу або пошкодження арматури на ньому.

Регулювання в цих випадках може бути здійснено шляхом установки дросельного органу на байпасній лінії, що сполучає всмоктуючий і нагнітальний трубопроводи. Таке ж регулювання застосовується і при використанні шестерних насосів. При використанні відцентрових насосів дроселювання в байпасному трубопроводі застосовується рідко, оскільки зважаючи на циркуляцію рідини знижується ККД насоса.

Якщо з якої-небудь причини неможливо дроселювати потік в байпасному трубопроводі поршневих насосів (компресорів), рідина дроселюється в нагнітальній лінії, але при цьому в байпасному трубопроводі встановлюють запобіжний клапан. При підвищення тиску до критичного значення клапан відкривається, і частина рідини байпасується з нагнітальної лінії у всмоктуючи.

9.2.4 Регулювання зміною числа обертів валу насоса

Дросельне регулювання має істотний недолік – низьку економічність: створюваний насосом напір використовується на повністю, а втрати на регулюючому органі при дроселювання рідини зменшують ККД насоса. Економічніший метод регулювання зміною числа обертів робочого валу насоса. Як відомо, плавне регулювання частоти обертання легко здійснити при використання електродвигунів постійного струму, але через високу вартість вони не знайшли широкого застосування як приводи насосів.

При використанні асинхронних електродвигунів змінного струму можливі наступні способу зміни числа обертів валу: перемикання обмотки статора електродвигуна на різне число пар полюсів, введення реостата в коло ротора, зміна частоти живлячого струму, застосування колекторних електродвигунів. Проте реалізація будь-якого з них вимагає складного і дорогого устаткування, тому вони також не знайшли застосування в промисловості.

В даний час найбільш ефективним методом зміни числа оборотів валу насоса є використання електромагнітних і гідравлічних муфт ковзання, які дозволяють змінювати число обертів робочого валу насоса при незмінному числі обертів валу електродвигуна. Крім того, регульовані муфти ковзання забезпечують швидке і легке дистанційне зчеплення і розчеплення електродвигуна і насоса; згладжування ударів від електродвигуна до насоса, і навпаки; можливість розгону насоса з початковим моментом опору, що перевищує пусковий момент двигуна; обмеження величини передаточного обертаючого моменту.

Термін окупності додаткових капіталовкладень пр. переході від дросельного регулювання до регулювання за допомогою муфт складає менше двох років, що говорить про перспективність даного методу регулювання.

9.3 Автоматизація процесів відстоювання

9.3.1 Типове рішення автоматизації.

Основні принципи управління при автоматизації процесів відстоювання розглянемо на прикладі відстійника з скребковим пристроєм (рис. 9.9). Процеси відстоювання проводяться, як правило, з ціллю повного видалення твердої фази (цінного продукту) із рідини, тому показником ефективності будемо вважати концентрацію твердої фази у освітленій рідині, а ціллю управління – підтримання її на мінімально можливому значенні.

В об’єкт управління процесу розділення можуть поступати багаточисельні збурення: зміна витрати суспензії, щільності твердої і рідкої фаз, концентрації і в’язкості суспензії, дисперсності (гранулометричної складової) твердої фази. Всі ці збурення визначаються технологічним режимом попереднього процесу, тому усунути їх при управлінні процесом відстоювання неможливо. Особливо сильними збуреннями являються зміни витрати суспензії і концентрації твердої фази в ній.

Розглянемо, яким чином при наявності перекислених збурень можна досягти цілі керування. На тверду частину у відстійнику діють одночасно сила інерції і сила тяжіння. Тому дійсне значення швидкості V рухомої частини являється результуючим горизонтальної складової швидкості Vг і вертикальної складової Vв, а положення частини являється визначається відношенням цих швидкостей: якщо Vв>Vг, то частина осідає в бункер відстійника; якщо ж Vг > Vв, то частина виноситься у вихідний патрубок. Швидкість випадання в осад Vв частин кулеподібної форми, для висококонцентрованих суспензій може бути розрахована по формулі:

де, d – діаметр частини; g – прискорення вільного падіння; ρт, ρж – густина відповідно твердої і рідкої фаз; ε – об’ємна доля рідини в суспензії; μ – динамічна в’язкість суспензії.

Аналіз рівняння показує, що швидкість Vв являється змінною величиною, що залежить від змінних в часі параметрів: діаметра частин, концентрації твердої фази, густин фаз, динамічної в’язкості суспензії. Стабілізувати швидкість неможливо, так як всі перечислені параметри визначаються попереднім процесом. Для того, щоб при змінній швидкості випадання в осад Vв частини встигали осідати в бункер, підбирають такі значення витрати суспензії і діаметра відстійника, які забезпечують необхідну відповідність швидкостей Vв і Vг. Необхідність в безпосередньому регулювання показника ефективності процесу при цьому відпадає.

У відстійник поступає один потік – суспензія, із нього виходять два потоки – освітлена рідина і згущена суспензія. Для підтримання матеріального балансу відстійника немає необхідності в установці спеціального регулятора, оскільки конструкція апарата така, що освітлена рідина виводиться за рахунок переливу.

У відстійнику необхідно підтримувати на постійній висоті границю розділу зон осідання і згущення. Ця висота залежить від витрати згущеної суспензії, тому регулююча дія вноситься міною ступені відкриття спеціальних клапанів (для високов’язких рідин) на лінії згущеної суспензії.

В якості контрольованих величин в процесі відстоювання приймають витрати початкової і згущеної суспензії, освітленої рідини, а також мутність освітленої рідини, яка являється непрямим параметром, що характеризує показник ефективності і густину згущеної суспензії. Контролюється, крім того, рівень границі розділу зон за допомогою гідростатичного приймача з неперервною промивкою. Робота механічної частини відстійників контролюється шляхом безпосереднього вимірювання моменту на валу двигуна. Можна проводити контроль і по непрямому параметру – потужності, що споживає привід електродвигуна. Перевантаження електродвигуна сигналізується. У випадку підвищених навантажень дається сигнал в схему захисту. Сигналізації підлягає також підвищення мутності освітленої рідини.

9.3.2 Регулювання зміни витрати суспензії

В окремих випадках витрата суспензії не залежить від попереднього технологічного процесу; тоді її можна змінювати, стабілізуючи мутність освітленої рідини, тобто зменшувати при збільшенні мутності вище заданого значення і збільшувати – при її зменшенні. При відсутності датчика мутності стабілізують витрату суспензії, що приводить до ліквідації одного із самих сильних збурень.

9.3.3 Регулювання густини згущеної суспензії

В ряді відстійників проводиться процес згущення суспензії до заданого вмісту твердої фази (вологість осаду при відстоюванні може коливатись від 35 до 55%); при цьому вміст твердої фази в зливі набуває другорядне значення. В цьому випадку ідуть шляхом регулювання густини згущеної суспензії шляхом зміни її витрати з допомогою клапана пульсуючого типу, або ж включенням і відключенням насоса.

У окремих технологічних схемах при підвищених вимогах до концентрації твердої фази в згущеній суспензії використовують рециркуляцію частини згущеної суспензії із проміжної ємності. В таких випадках густину регулюють шляхом зміни коефіцієнта рециркуляції, тобто відношення витрати циркулюючої рідини до загальної витрати згущеної суспензії (рис. 9.10).

9.3.4 Регулювання подачі коагулянту

Для кращого відстоювання деяких речовин у суспензію добавляють коагулянт – речовину, що сприяє коагулюванню (збільшенню) твердої фази. Витрату коагулянту змінюють залежно від положення границі розділу між зоною освітлення рідини і зоною випадання в осад. Висоту освітленого шару контролюють з допомогою ультразвукового слідкуючого пристрою, приймач якого розміщений всередині відстійника і реагує на зміну концентрації твердої фази біля границі розділу між зонами.

9.3.5 Регулювання режиму роботи гребкового механізму

Густину осаду можна регулювати і по непрямому параметру – навантаженні гребкового пристрою, яка прямо залежить від густини згущеної суспензії в нижній частині відстійника. Регулятор навантаження в цьому випадку послідовно діє спочатку на виконавчий механізм на магістралі згущеної суспензії, а потім на привід підйому гребків. При перенавантаженні приводу відбувається підйом скребкового пристрою і навпаки.

9.3.6 Управління процесом протиточного відстоювання

У випадку, якщо один відстійник не справляється з поставленою задачею, встановлюють декілька апаратів, з’єднуючи їх по протиточній схемі. Таку схему використовують, наприклад, на калійних підприємствах. Ступінь виділення твердої фази, що забезпечується всією схемою, багато в чому визначається роботою першого відстійника, тому для управління процесом відстоювання в ньому регулюють густину згущеної суспензії і границю розділу зон освітленої рідини та випадання осаду (подачею коагулянту); контролюють витрати суспензії і щелока, мутність осаду. Вимоги до роботи інших відстійників менш жорсткі, тому на них встановлені тільки регулятори густини згущеної суспензії, а витрати коагулянту змінюються вручну.

Для підтримання матеріального балансу регулюють рівні рідин в ємностях.

9.3.7 Управління відстійником періодичної дії

В промисловості використовуються такі відстійники періодичної дії, в яких вивантаження осаду являється окремою операцією. Для автоматичного переводу відстійника з режиму відстоювання на режим вивантаження на певній висоті апарату встановлюють датчик прозорості, який дає сигнал на закриття трубопроводу суспензії і включення насоса для відкачування.

9.4 Автоматизація процесів фільтрування

9.4.1 Автоматизація процесу фільтрування рідких неоднорідних систем

Розглянемо в якості об’єкта керування барабанний (дисковий) вакуумний фільтр. При керування даним об’єктом ставиться задача отримання мінімально малої при даних умовах вологості осаду. Це і буде ціллю керування.

В реальних умовах виробництва на фільтри надходить велика кількість збурюючих впливів у вигляді зміни гранулометричного складу твердої речовини, зміна початкової концентрації твердої речовини в суспензії, в’язкість рідкої фази і т.д. Найбільш сильним збурюючим впливом є зміна подачі (витрати) суспензії. Зокрема збільшення витрати суспензії приводить до підвищення вологості осаду.

Пристрої регулювання встановлюються на даному об’єкті тільки для забезпечення визначення продуктивності по осаду.

Ця продуктивність для вибраного типу фільтру має бути виражена наступною формулою:

де K – постійний коефіцієнт, ∆P – різниця тисків до і після фільтруючої перегородки, СТС – маса твердих частинок на одиницю об’єму рідини вихідної суспензії, Сро – об’єм рідини в осаді на одиницю маси твердих частин, n – число обертів барабану (диска), η – кінематична в’язкість рідини, l – частина барабану що знаходиться в рідині, визначається рівнянням суспензії у ванні, α – середнє значення опору осаду.

Як випливає з рівняння, продуктивність VT – пропорція (∆Pln)0,5. Параметри ∆P, n не змінюються при використанні в якості привода вакуум-насоса і барабана (диска) асинхронних двигунів. Тому єдиний параметр який слід стабілізувати – це l, тобто рівень суспензії у ванні. Регулюючу дію в даному випадку будемо виносити шляхом заміни витрати суспензії.

Серйозною небезпекою при роботі вакуумних фільтрів є прорив фільтруючої перегородки, так як через отвори в якій буде втрачатись цільовий продукт. Для запобігання таких ситуацій встановлюють датчики мутності або густини фільтрату, які у випадку різного підсилення цих параметрів подають сигнал на пристрої сигналізації та захисту. Крім цього, на вакуум-фільтрі встановлюють ще один датчик сигналізації і захисту - датчик перевантаження електродвигуна барабану.

Параметри контролю:

- витрата суспензії і фільтрату;

- рівень рідини у ванні;

- розрідження у вакуум-лінії;

- перепад тиску до і після фільтруючої перегородки;

- мутність (густина) фільтрату;

- потужність електродвигуна.

9.4.2 Регулювання товщини осаду

Товщина осаду є важливим режимним параметром, зміна якого призводить до значного збільшення вологості осаду, тому його слід стабілізувати. З цією метою регулюючу дію можна встановити як зміною вакууму, так і зміною швидкості обертання барабану. Слід звернути увагу ще на те, що регулююча дія у останньому варіанті має вузький діапазон, що пов’язано із збільшенням якості осаду при значному збільшенні швидкості.

9.4.3 Управління фільтрувальними відділами

Фільтрацію великих кількостей суспензії проводять не на окремих фільтрах, а в фільтрувальних відділах. Можливі дві схеми роботи фільтрувальних відділів: без переливу і з переливом суспензії із ванн фільтрів (рис. 9.12). У першому випадку управління робочими фільтрами здійснюється звичайним методом – регулюванням рівнів шляхом зміни витрати суспензії. Рівень же в напірній ємності регулюється зміною подачі суспензії в резервний фільтр. Одночасно регулятор рівня резервного фільтра подає сигнал на зміну швидкості обертання барабану. Зокрема, при переповненні ванни резервного фільтру швидкість обертання збільшується.

У випадку роботи відділення в режимі з переливом рівень в робочих фільтрах підтримується на оптимальному значенні завдяки вільному зливу, а в резервному – аналогічно попередньому варіанту.

9.4.4 Фільтрування газових систем

Типове рішення автоматизації. Розглянемо на прикладі рукавного фільтра з імпульсною продувкою (рис. 9.13). Рукавні фільтри встановлюють, як правило, для повної очистки газу від твердих речовин, що являються цінними продуктами. Тому показником ефективності процесу будемо вважати концентрацію твердих речовин на виході із фільтру, а ціллю управління – підтримання її на заданому мінімально можливому рівні при витримці продуктивності фільтра в певному діапазоні.

Процес фільтрування газових середовищ багато в чому аналогічний процесу фільтрування рідких систем. В тому числі, аналогічні збурюючи впливи і можливості їх ліквідації. В рукавні фільтри додатково можуть поступати збурення по каналу стиснутого повітря, що подається в сопла для регенерації. Певні труднощі при автоматизації рукавних фільтрів створює відсутність в даний час надійних вимірювачів концентрації пилу. В зв’язку з цим регулюють перепад тиску ∆P в камерах забрудненого і очищеного газу, який найбільш повно відображає хід поцесу:

де ∆PT – перепад тиску, зумовлений фільтруючою тканиною і частинами пилу, що не видаляються; G – маса пилу, що осідає на одиницю площі фільтру за певний проміжок часу; μ – в’язкість газу; W – швидкість газу; K – проникність шару пилу на тканині; γ – питома вага пилу.

Із рівняння випливає, що регулювати перепад ∆P можна лише зміною маси пилу G (інші параметри зумовлені попереднім технологічним процесом). Регулювання здійснюється наступним чином. При досягненні максимального перепаду позиційний регулятор видає сигнал на електромагнітні клапани, встановлені на магістралі стиснутого повітря. Клапани відкриваються, імпульси стиснутого повітря через сопла поступають у рукави, деформують тканину, збиваючи при цьому пил. Регенерація тканини проводиться до досягнення мінімального значення перепаду.

Якісна регенерація фільтруючої тканини рукавів буде здійснюватись тільки при певному значенні тиску стиснутого повітря, що подається на продувку. Для стабілізації цього тиску встановлюють регулятор.

Контролю і сигналізації підлягають наступні параметри: температура забрудненого газу (фільтруюча тканина розрахована лише на певні температури), тиск стиснутого повітря, перепад тиску. При критичних значеннях тиску стиснутого повітря і перепаду тиску (перевищення критичного значення перепаду призводить до розриву тканини) спрацьовує пристрій захисту, що відключає робочий фільтр і включає резервний. Контролю підлягає витрата газового потоку.

9.4.5 Регулювання по чіткій часовій програмі

Вимірювання тиску газових пилових потоків зв’язано з певними труднощами, так як імпульсні трубки забиваються пилом і спотворюють покази приладів. З іншої сторони, при стабільному технологічному режимі з’являється можливість відмовитись від регулювання перепаду по перепаду ∆P і перейти на управління по чіткій програмі, в якій задається певна тривалість імпульсів стиснутого повітря і пауз між ними. Для реалізації такої програми встановлюють командний пристрій, який управляє об’єктом по часовій програмі незалежно від стану фільтра.

9.5 Автоматизація процесу центрифугування рідких систем

9.5.1 Типове рішення автоматизації

Розглянемо типову схему автоматизації процесу центрифугування на прикладі центрифуги неперервної дії (рис. 9.14).

Після проведення процесу отриманий осад, як правило, направляється на сушку, тому при керуванні центрифугами ставиться задача отримання мінімально можливої при даних умовах вологості осаду. Це і буде ціллю керування.

Збурення при центрифугуванні аналогічні процесу фільтрування. Велике значення має стабілізація витрати суспензії, так як збільшення останньої призводить до виливання частин осаду із центрифуги і підвищення його вологості. Зменшення витрати порушує рівномірність шару осаду і призводить до сильної вібрації ротора.

Виділяють поняття фактор розділу, що визначає властивості центрифуги:

r – радіус барабана центрифуги (величина стала); n – число обертів ротора; g – прискорення сили вільного падіння.

Отже регулюючу дію будемо виносити шляхом зміни числа обертів n (підбір електродвигуна з числом обертів що забезпечують потрібну продуктивність центрифуги).

Для підтримання матеріального балансу в центрифузі непотрібно встановлювати регулятори, так як рівень фугату та осаду підтримується шляхом вільного витоку з апарату.

Параметри контролю:

1. Витрата суспензії фугату;

2. Мутність фугату;

3. Кількість електроенергії (що споживає електродвигун);

4. Тиск масла в системі змазки;

5. Температура підшипників.

Параметри сигналізації:

1. Перевантаження двигуна;

2. Тиск масла в системі змазки і температура підшипників.

Параметри блокування:

При різному падінні тиску і підвищення температури повинен спрацювати пристрій захисту, який вимкне центрифугу. Вимикання повинно відбутися у випадку вібрації барабана, що є ознакою нерівномірного розподілу матеріалу у суспензії.

9.5.2 Регулювання відстійних центрифуг

Шляхом зміни тривалості відстоювання і сушки осаду у відстійних центрифугах в об’єкт можна вносити сильні регулюючі впливи. У відповідності з результатами лабораторних аналізів вологості осаду проводять зміну тривалості вказаних операцій шляхом зміни числа ходів поршня при вивантаженні осаду пульсуючим поршнем, або ж зміною числа оборотів шнека у шнекових центрифугах. Рідше регулюючі впливи вносяться зміною ступені відкриття розвантажувальних вікон.

9.5.3 Управління центрифугами періодичної дії

Центрифуги періодичної дії в зв’язку з простотою конструкції знайшли широке використання в промисловості. Регулюючі впливи в них можуть бути внесені шляхом зміни тривалості окремих операцій залежно від вологості осаду. Однак, на практиці в зв’язку з відсутністю датчиків вологості процес ведуть по чіткій часовій програмі з допомогою командного пристрою (рис. 9.15). На нього поступають сигнали від датчика загрузки 6 барабана 1 центрифуги і кінцевих вимикачів положень ножа 2, що слугує для зрізування осаду і і приводиться в дію масляним виконавчим механізмом 3. При спрацюванні датчика загрузки командний пристрій формує сигнал на закриття клапана 7; операція завантаження при цьому припиняється. Тривалість наступних операцій (підсушки і промивки) встановлюється вручну з допомогою задавачів часу командного пристрою і забезпечується спрацюванням клапана 8. На деяких центрифугах почергово здійснюється кілька операцій підсушки і промивки з різною витримкою. Задана послідовність і тривалість їх також витримується командним пристроєм. Після завершення цих операцій пристрій видає імпульс не перемикаючий пристрій 5 маслорозподілювача 4, який з допомогою виконавчого механізму 3 приводить в дію ніж 2. Починається операція вигризки твердого продукту із барабану 1. Рух ножа триває до крайнього положення, що забезпечується кінцевим вимикачем КВ1. По його команді відбувається зворотній рух ножа до спрацювання другого кінцевого вимикача – КВ2; починається нова загрузка, або ж знову відкривається магістраль промивної води для регенерації сітки барабану 1. Далі цикл повторюється.

В якості параметра, що характеризує ступінь загрузки, можна використовувати рівень суспензії в барабані. Чутливим елементом рівня являється пластинка, контактуюча з верхнім шаром рідини в ньому. При зміні положення цього шару пластинка повертається разом з валом, на якому встановлений кулачок. Положення останнього перетворюється в аналоговий або дискретний сигнал, що відповідає рівню рідини. Таким же чином можна контролювати і рівень твердого осаду; тоді в якості чутливого елемента використовується гребінка, яка чинить опір лише твердій фазі.

В промисловості для контролю завантаження використовують також ємнісні датчики, що вимірюють електричну ємність між пластинчатим датчиком і рівнем суспензії в барабані або його стінці, датчики швидкості обертання барабану і потужності приводного електродвигуна.

9.5.4 Регулювання швидкості обертання центрифуг періодичної дії

Значного покращення експлуатаційних характеристик центрифуг періодичної дії можна досягти шляхом зміни швидкості обертання ротора при здійсненні різних операцій, так як кожній із них відповідає своя оптимальна швидкість. Для цього встановлюють спеціальні електродвигуни в якості привода центрифуги і командні пристрої, що працюють по чіткій програмі.

9.6 Автоматизація процесів очистки газів

9.6.1 Мокра очистка газів

В якості об’єкта управління розглянемо форсункову трубу Вентури, в якій рідина під невеликим тиском подається через розпилювач, встановлений паралельно газовому потоку, що рухається з високою швидкістю (рис. 9.16). Показником ефективності процесу буде концентрація твердих речовин на виході, а ціллю управління – підтримання її на заданому мінімально можливому рівні.

Проведемо аналіз технологічних особливостей мокрих очищувачів повітря від пилу. Рух газового потоку в трубі Вентури можна представити як рух газу через шар капель рідини зі швидкістю, рівною відносно швидкості фаз. Із цього випливає, що кінцева концентрація пилу буде залежати, по-перше, від кількості і розміру капель, що визначають якість “фільтру”, через який рухається газ, і, по-друге, від кількості газу, що проходить через фільтр, тобто його витрати.

Рідина ділиться на каплі у трубі Вентури двічі: на великі – при виході рідини із форсунки і на більш дрібні під дією енергії газового потоку. Кінцевий розмір капель і їхня кількість залежать від обох процесів.

Середній діаметр капель після форсунки при розпилюванні певної рідини в газовий потік із мало змінними властивостями залежить від геометричних розмірів форсунки і тиску рідини. Для одного із типів форсунок отримано, наприклад, таке рівняння:

де dК – середній діаметр капель (величина постійна), м; dc – діаметр отвору сопла, м; Pж – тиск перед форсункою, МН.

Таким чином, для стабілізації діаметру dК достатньо підтримувати тиск Pж постійним. Цим же буде забезпечуватись і постійне число капель, так як витрата рідини Vж через форсунку визначається перепадом тиску ∆Pж на форсунці:

де ξр – коефіцієнт витрати (незначно змінюється); ∆Рж=Рж-Ргн; Ргн – тиск газу на початку труби, де встановлений розпилювач (мало змінюється); ρж – густина рідини (мало змінюється).

Дисперсність вторинного розпилу при контактування капель рідини після форсунки з газом залежить в основному від швидкості газового потоку Wг:

де ξс – коефіцієнт швидкості (мало змінюється); ∆Рг – перепад тиску на початку і в кінці труби Вентури (∆Рж=Ргн-Ргк; Ргк – тиск в кінці труби); ρг – густина газу (мало змінюється).

Із рівняння випливає, що для постійної швидкості Wг достатньо стабілізувати перепад тиску на трубі Вентури. Регулюючий вплив при цьому вноситься шляхом зміни поперечного перерізу горловини труби.

Перепад тиску на трубі являється рушійною силою процесу переміщення газу, тому його стабілізація забезпечує не лише якісну дисперсність розпилу, а і постійність витрати газу – другого режимного параметру процесу мокрої очистки, що визначає показник ефективності.

Отже, для ефективного використання труб Вентури необхідно регулювати тиск рідини перед форсункою і перепад тиску газу.

Мокрі очищувачі повітря від пилу схильні до забивання, тому граничне значення перепаду тиску необхідно сигналізувати. При критичному значенні перепаду ∆Р пристрій захисту включає резервний очищувач повітря від пилу і відключає робочий. Контролюються в даному процесі витрати рідини і газу.

9.6.2 Електрична очистка газів

Розглянемо на прикладі сухого електрофільтру (рис. 9.17). В зв’язку з тим, що електричні апарати очистки повітря від пилу виконують завдання, аналогічні завданням фільтрів і мокрих очищувачів, цілі управління у них співпадають.

Параметрами, від яких залежить концентрація пилу на виході електрофільтру, являється: напруга живлення U, навантаження G, температура газу t, радіус частин r, тиск газу P, вологість m, питомий електричний опір R.

Для сухих електрофільтрів отримано рівняння, що дає уявлення про залежність кінцевої концентрації Cк від цих параметрів:

де Cн – початкова концентрація пилу.

Із рівняння випливає, що найбільш сильно на концентрацію Cк впливають початкова концентрація Cн, напруга U і витрата G; параметри P, t, r впливають менше; вони визначаються попереднім технологічним процесом і з їх зміною в об’єкт будуть поступати збурюючи впливи. Те ж можна сказати і про концентрацію Cн. Витрату газу, з метою усунення збурень, необхідно стабілізувати. Напруга U для високоякісної очистки повинна підтримуватись на максимально високому рівні, близькому до критичного. Для цього встановлюють автоматичний пристрій, який періодично здійснює плавне підвищення напруги до виникнення пробою (дугового розряду) в міжелектродних проміжках. В момент виникнення пробою спрацьовують реле максимального струму і мінімальної напруги; вони дають команди автоматичному пристрою на швидке зниження напруги U до величини, що забезпечує гасіння дуг (~10%). Через деякий проміжок часу пристрій знову починає підвищувати напругу до граничного пробивного значення. Потім цикл повторюється.

При обриві коронних електродів сигнальний пристрій через 5-10 циклів пониження напруги дає імпульс в схему сигналізації і захисту.

Контролю в даному процесі підлягають витрата, температура і вологість газового потоку, напруга і сила струму, температура масла трансформаторно-випрямного блоку.

Регулювання по іскровому принципу. Типове регулювання електрофільтра по дуговому пробою має суттєвий недолік – середнє значення робочої напруги виявляється нижче оптимального внаслідок її періодичного зниження. Більш перспективним являється по числу іскрових розрядів, які передують пробою і визначають ступінь очистки (рис. ). Оптимальна частота іскрових розрядів може бути розрахована зарання (як завдання регулятору) по розрядній відстані, поєднанню електродів, властивостями газів, що очищаються та іншими параметрами процесу. Для контролю за поточним значенням частоти іскріння у вторинному колі трансформатора встановлюють спеціальний пристрій, що реагує на імпульси напруги, які викликаються стрибкоподібними змінами струму при іскрінні.

9.7 Автоматизація процесів очистки стічних вод

9.7.1 Загальні відомості

Очистка стічних вод у хімічній промисловості набула особливого значення, так як хімічні підприємства являються основними споживачами води (до 50% від всього споживання) і джерелами забруднення води. Найбільш розповсюдженими видами очистки стічних вод являються хімічна (реагентна) і біохімічна. При реагентній очистці проводиться нейтралізація кислот і лугів в стічних водах, виділення із них металів, а також коагуляція тонкодисперсних суспензій за рахунок введення реагентів, при біохімічній – очистка стоків від органічних речовин.

9.7.2 Біохімічна очистка.

Проводиться в апаратах, котрі називаються аеротенками (рис. 9.18). Вона полягає в окисленні органічних речовин розчиненим у стоках киснем в присутності ферменту (каталізатора), котрий продукується бактеріями активного мулу. Для забезпечення нормального технологічного режиму в аеротенк подають стоки ре циркулюючий мул, що містить бактерії. Для їх перемішування і насичення отриманої мулової суміші киснем в нижню частину аеротенка через багаточисельні секції подається повітря.

Показником ефективності процесу являється концентрація органічних забруднень на виході із аеротенка, а ціллю управління – підтримання цієї концентрації на значенні, що не перевищує допустиме. На цей параметр впливають: концентрація органічних забруднень в поступаючих стоках, витрата стоків, концентрація бактерій і розчиненого кисню в муловій суміші аеротенка та тривалості перебування стоків у апараті. Концентрація органічних речовин, їх витрата і, отже, час перебування стоків визначаються режимом попередніх технологічних процесів. Як правило вони змінюють в широкому діапазоні. Тому для досягнення цілі управління необхідно регулювати кінцеву концентрацію органічних сполук у стоках шляхом впливу на концентрацію бактерій і розчиненого кисню в муловій суміші. Однак автоматичних вимірювачів вмісту органічних речовин в стічних водах у наш час немає. В зв’язку з цим, процесом управляють по непрямому параметру – кількості органічних речовин у стоках, що поступають на очистку, яка розраховується по витраті стоків і зміні в них концентрації розчиненого кисню. Регулюючий вплив вноситься зміною витрат повітря і мулу, що відводиться з ділянки.

Література.

1. Стенцель Й.І. Автоматизація технологічних процесів хімічних виробництв: Навч.посібник –К.: ІСДО.1995.-360с.

2. Стенцель Й.І. Математичне моделювання технологічних об’єктів керування: Навч.посібник –К.: ІСДО.1993.-320с.

3. Атоматическое управление в химической промышленности. Учебник для вузов (Под ред Дудникова)-М.: Химия 1987-368 с.

4. Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов – М.: Химия. 1974.-336 с.

5. Шински Ф. Управления процессами по критерию экономии энергии – М.: Мир. 1981.-387 с.

6. Вершинин О.Е. Применение микропроцессоров для автоматизации технологических процессов.-Л.: Энергоатомиздат, 1986 – 208 с.

7. Рей У. Методы управления технологическими процессами – М. Мир.1988 – 868 с.

8. Справочник проектировщика автоматизированных систем управления производственными процессами. (Под ред. Г.Л.Снялянского)-М.: Машиностроение. 1983 – 528 с.

9. Стефани В.П. Основы построения АСУТП – М.: Энергия.1982 – 852 с.

10. Балакирев В.С. и др. Оптимальное управления процессами химической технологии. Экстремальные задачи АСУ. – М.: Химия.1987 – 384 с.

11. Бояринов А.Н., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии.-М.: Химия 1971.

12. Полоцкий Л.М., Лапшинков Г.И. Автоматизация химических производств –М.: Высшая школа. 1982.

13. Ястребецкий М.А., Солянин В.Л. Определение надежности аппаратуры промышленной автоматики в условиях эксплуатации.- М.: Энергия. 1968.

14. Клюев А.С. и др. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. Справочное пособие.- М.: Энергия.1980.

15. Кошарский Б.Д. и др. Справочные материаллы. Автоматические приборы и регуляторы.-М.: Машиностроение. 1976.

16. Справочник. Промышленные приборы и средства автоматизации.- М.: Машиностроение. 1987.-847 с.

17. Чистяков В.С. Краткий Справочник по техническим изМерениям.-М.: Энергоатомиздат. 1990 – 320 с.

18. ГОСТ 21.404-85. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условных приборов и средств автоматизации в схемах. –М.: Стандартиздат.1985.

19. ГОСТ 2.785-70. ОУГС Элементы трубопроводов. –М.: Стандартиздат.1982.

20. ГОСТ 2.780-68. Элементы гидравлических и пневматических сетей. –М.: Стандартиздат.1982.

21. ГОСТ 2.789-74. Аппараты теплообменные. –М.: Стандартиздат.1974.

22. ГОСТ 2.782-68. Насосы и двигатели гидравлические и пневматические. –М.: Стандартиздат.1982.

23. ГОСТ 2.793-79. Элементы и устройства машин и аппаратов химических производств. –М.: Стандартиздат.1979.

24. ГОСТ 2.792-74. Аппараты сушильные. –М.: Стандартиздат.1974.

25. ГОСТ 2.791-74. Отстойники и фильтры. –М.: Стандартиздат.1974.

26. ГОСТ 2.790-74. Аппараты колонные. –М.: Стандартиздат.1974.

27. ГОСТ 2.788-74. Аппараты выпарные. –М.: Стандартиздат.1974.

28. ГОСТ 14202-69. Условные цифровые обозначения жидкостей, газов и материалов, транспортируемых по трубопроводах. –М.: Стандартиздат.1987.