Дипломная (вкр): Автоматизация процесса каталитического риформинга

Время запаздывания объекта

.

Коэффициент усиления объекта рассчитывается по формуле

                        (3.1)

где tнач - начальное значение температуры, ˚С;

tуст - установившееся значение температуры, ˚С;

µ - процент хода исполнительного механизма при нанесении возмущения, %.

Тогда, передаточная функция объекта имеет следующий вид

 (3.2)

3.3 Выбор закона регулирования. Расчет и выбор настроек регуляторов

По полученным данным передаточной характеристики объекта выбираем тип и коэффициенты настройки регулятора температуры продукта на выходе из трубчатой печи.

Основные области применения линейных регуляторов характеризуются следующим образом:

И - регулятор применяется со статическим объектом при медленных изменениях возмущений и с малым временем запаздывания ;

П - регулятор применяют со статическим и астатическим объектами при любой инерционности и времени запаздывания, определяемым соотношением ;

ПИ-регулятор применяется при любой инерционности объекта и времени запаздывания, определяемым условием .

Теперь выберем закон регулирования, исходя из величины времени запаздывания.

Так как величина отношения времени запаздывания и постоянной времени больше 0,3, то мы выбираем ПИ - регулятор.

На рисунке 3.3 представлены формулы для упрощенного выбора настроек , Ти, ТД основных регуляторов для статических объектов.

Рисунок 3.3 - Формулы выбора настроек регуляторов для статических объектов (с самовыравниванием)

В данном дипломном проекте для всех исследуемых параметров в качестве критерия оптимальности используем минимальную интегральную квадратичную оценку, так как реализация такого критерия почти всегда приводит к минимальным потерям при регулировании и к минимальным динамическим ошибкам.

Согласно рисунку 3.3 определяем настройки ПИ - регулятора с предполагаемым переходным процессом с минимальной интегральной квадратичной оценкой:

-           коэффициент передачи регулятора, кр

                       (3.3)

- постоянная времени интегрирования, Ти

 (3.4)

Передаточная функция регулятора имеет следующий вид

 (3.5)

Исполнительный механизм ИМ принимаем не апериодическим звеном, а простым преобразующим усилительным элементом, так как постоянная времени ИМ в несколько раз меньше постоянной времени объекта и не окажет большого влияния на динамические процессы.

Регулирующее устройство РУ с исполнительным механизмом и задающие и суммирующие элементы образуют автоматический регулятор. Регулирующий орган РО, собственно объект регулирования ОР, характеризующийся регулируемой величиной-температурой, и измерительной устройство, отображающее значение температуры, образуют обобщенный объект регулирования. Таким образом, автоматическая система регулирование состоит из регулятора и объекта регулирования, взаимодействующих между собой по замкнутому контуру.

САР температуры продукта на выходе из трубчатой печи будет представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - САР температуры продукта на выходе из трубчатой печи каталитического риформинга

Контур регулирования имеет два канала: канал регулирования (от регулятора к объекту) и канал главной отрицательной обратной связи (от объекта к регулятору). При отклонении значения регулируемой величины от заданного от регулятора по каналу до тех пор будут поступать регулирующие сигналы на объект пока сигнал рассогласования на входе регулятора не станет равным нулю, тогда регулирующий орган остановится в положении, при котором обеспечивается заданное значение регулируемой величины.

3.4 Исследование устойчивости САР

Проверим данную систему управления на устойчивость по критерию Найквиста. По критерию Найквиста по характеристикам разомкнутой системы судят об устойчивости системы после её замыкания.

Годограф Найквиста будем строить в программной среде MATLAB 6.5, используя инструмент Simulink LTI-Viewer.

Для анализа линейных стационарных систем и построения частотных характеристик систем используется Simulink LТI-Viewer. Инструмент Simulink LTI-Viewer входит в состав пакета прикладных программ Control System Toolbox. С помощью данного инструмента можно легко построить характеристики системы, получить ее отклики на единичные ступенчатое и импульсное воздействия, найти нули и полюса системы.

На первом этапе в окне программы Simulink необходимо создать из типовых блоков библиотеки структурную схему исследуемой системы рисунок 3.5.

Рисунок 3.5- Структурная схема объекта регулирования

Для работы с Simulink LТI-Viewer необходимо выполнить команду Tools\Linear Analysis в окне Simulink-модели. В результате выполнения команды откроется два окна:

–           Model_Inputs_and_Outputs (Входы и выходы модели);

–           Simulink LTI-Viewer: <название схемы> (Линейный анализ).

Следующим этапом необходимо из окна Model_Inpufs_and Outputs перетащить на исполненную модель пункты (Input Point, Output Point), далее установить один из пунктов на вход схемы, а другой на выход, как показано на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6- Модель для исследования устойчивости системы

Далее перейдем к линейному анализу LТI Viewer. В меню необходимо выполнить команду Simulink \ Get Linearized Model, после чего появится графическое окно Step Response.

Данная команда выполняет линеаризацию модели и строит реакцию системы на единичное ступенчатое воздействие.

В Simulink LТI-Viewer для построения доступны следующие графики (диаграммы):

–           step - Реакция на единичное ступенчатое воздействие;

–           impulse - Реакция на единичное импульсное воздействие;

–        bode - Логарифмические амплитудная и фазовая частотные характеристики;

–           bode mag - Логарифмическая амплитудная частотная характеристика;

–           nyquist - Диаграмма Найквиста;

–           nichols - Годограф Николса;

–           sigma - Сингулярные числа;

–           pole/zero - Нули и полюса системы.

Годограф Найквиста будет иметь следующий вид рисунок 3.7.

Рисунок 3.7 - Годограф Найквиста

Из рисунка 3.7 видно, что замкнутая система является устойчивой, так как соблюдено условие устойчивости по Найквисту: амплитудно-фазовая характеристика разомкнутой системы не охватывает точку с координатой (-1; j0).

3.4 Определение показателей качества переходного процесса

Выбор типового регулятора АСР и определение параметров его настройки, требуемое качество регулирования в процессе эксплуатации АСР, кроме безусловного требования устойчивости, определяется следующими критериями: минимальное время регулирования, отсутствие перерегулирования, минимальная интегральная квадратичная ошибка.

По разработанной математической модели контура регулирования рисунок 3.8 и используя программное обеспечение (“MATLAB 6.5”) строим график переходной характеристики системы рисунок 3.9.

Рисунок 3.8 Модель для исследования показателей качества контура регулирования

Рисунок 3.9 Переходная характеристика контура регулирования

Из рисунка 3.9 прямым методом определяем показатели качества контура регулирования:

перерегулирование

;

Примечание: перерегулирование составило меньше заданной допустимой ошибки Δ=2% - установлено ГОСТ.

время регулирования tрег=440 секунды;

время нарастания tн=400 секунд;

время максимума tмакс=440 секунд.

4. Технические средства автоматизации

.1 Общие технические характеристики управляющего вычислительного комплекса

Выбор из всего многообразия совокупности средств, на основе которых строится автоматизированная система управления, от полевой автоматики до программного обеспечения, представляет собой сложную задачу, требующую учета многих факторов и критериев. Но специфика производства обычно накладывает ограничения на выбор, что упрощает задачу. Зачастую результатом решения вопроса о том, на каком варианте выбора техники и программного обеспечения остановиться, является компромисс между различными критериями, по которым их оценивают.

Инженерными критериями оценками автоматизированной системы управления являются:

-        технические свойства, обеспечивающие точность и быстродействие;

-           надежность;

-           простота эксплуатации;

-           потребительские свойства SCADA-системы.

Технические характеристики программируемого логического контроллера.Контроллеры Simatic фирмы Siemens выполнены по блочному принципу и имеют модули ввода, вывода, центрального процессора, коммуникаций и модули питания. Данные необходимые для функционирования контроллера хранятся в энергонезависимой Flash-памяти.

Точность АЦП модулей аналогового вывода 8,12,15-bit сигналы в диапазоне -10-(+10) В, 0-(+10)В, -20-(+20) мА, 0-20 мА, 4-20 мА.

Дискретные модули ввода/вывода работают с сигналами постоянного тока 24 В, с силой 0,5 А и сигналами переменного тока 220 В, с силой 5 А.

Также имеются блоки для подключения резистивных сигналов с термосопротивлений, фоторезисторов либо тензодатчиков.

Коммуникационные модули контроллера ориентированны на сети Modbus, Profibus, Ethernet. В контроллере также предусмотрен обмен информацией с помощью стандартного интерфейса RS 485.

Значения контролируемых параметров управляемого процесса заносятся в архив. Архив представляет собой табличные базы данных, пополняемые текущими значениями параметров с заданной дискретностью по времени, где для каждой ячейки определено название параметра и время сканирования. Архивные значения доступны различным пользователям через информационную сеть и широко используются для анализа ситуаций, для расчетов, для составления отчетов

На рисунке 4.1 представлен контроллер Siemens S7-400. CPU ПЛК периодически опрашивает (сканирует) сигналы от датчиков посредством системы ввода/вывода и устройств ввода. Обновленные значения заносятся в таблицу входов, то есть происходит ее обновление. В соответствии с программой, загруженной в контроллер, значения таблицы входов обрабатываются и заносятся в таблицу выходов.

Рисунок 4.1 - Внешний вид контроллера

При обработке информации активно используются значения, находящиеся в хранилище данных. С обновленной таблицы выходов информация через систему ввода/вывода пересылается на устройства вывода, откуда далее - на приборы полевой автоматики. Таблица входов, таблица выходов и хранилище данных представляют собой области памяти CPU. Программа пользователя может изменяться или корректироваться с помощью устройства программирования и мониторинга, подключенного к контроллеру. Это устройство позволяет также просматривать представляющие интерес данные. В качестве устройства программирования и мониторинга может использоваться компьютер или ручной программатор.

На рисунке 4.2 можно просмотреть принцип работы.

Функции CPU заключаются в следующем:

−   обработка входной информации согласно программе пользователя;

−           хранение входной информации (таблица входов), результатов выполнения программы (таблица выходов), пользовательской программы и служебной информации;

−           организация связи с системой ввода/вывода;

−           диагностика функционирования ПЛК и программы пользователя;

−           поддержка интерфейса с устройством программирования и мониторинга.

При своей работе PLS постоянно выполняет циклическую последовательность операций, называемую циклом PLS и включает в себя следующие операции:

−   служебные операции в начале прогона;

−           сканирование входов (обновление таблицы входов);

−           выполнение программы пользователя;

−           вывод данных (обновление таблицы выходов);

−           связь с устройством программирования и мониторинга;

−           связь с системой (по сети);

−           диагностика программы на наличие ошибок и сбоев.

Рисунок 4.2 - Принцип работы контроллера

На рисунке 4.3 видим, как идет опрос систем на совместимость.

Рисунок 4.3 - Определение slave-устройств

Характеристики программного средства Step 7. Для того чтобы контроллер мог нормально работать, производить вычисления и формировать выходные сигналы, его необходимо сначала соответствующим образом сконфигурировать и запрограммировать.

Конфигурирование - это загрузка в память контроллера информации о его аппаратном составе, количестве и наименованиях модулей, установленных в базовую плату и в платы расширения. Также при конфигурировании каждому из каналов модулей ввода/вывода назначается свой уникальный адрес, зависящий от типа модуля.

Программирование - процесс написания и загрузки в память программы, в соответствии с которой и будут производиться необходимые вычисления для контроля и управления технологическим процессом.

В большинстве современных контроллеров предусматривается возможность написания программ на одном или нескольких стандартных языках программирования, утвержденных стандартом IEC-1131.3.

Для конфигурирования и программирования ПЛК «Siemens» используется поставляемое вместе с ним программное обеспечение «Step 7». Этот пакет устанавливается на ЭВМ (с операционной системой Windows 95/98/NT/XP), к котороой через COM-порт или Ethernet подключается ПЛК. Программы для контроллеров в среде «Step 7» пишутся на языках STL,LAD и FBD. После установления связи с контроллером можно либо считать находящуюся в его памяти программу, либо загрузить новую, причем делается все это без отрыва от управления технологическим процессом. Для контроллера сети Siemens необходимо определить число объектов, объединенных в сеть и назначить каждому свой адрес. В сеть может быть объединено до 32-х устройств. Каждое устройство имеет свой адрес в сети (от 0 до 31). Всегда один адрес резервируется для ручного программатора, подключаемого к сети в процессе настройки контроллера или станций. Для каждого адресованного выбранного устройства может быть назначено четыре типа переменных ввода/вывода: аналоговые входные/выходные и дискретные входные/выходные. При назначении переменных указывается адрес первой переменной (каждого типа) и их количество, причем переменные не должны быть уже назначенными ранее каким-либо другим модулям (устройствам).