Основы автоматизации и АСУТП(химики)






ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Производственные процессы в химической и нефтехимической промышленности характеризуются значительным числом параметров, определяющих ход процессов наличием внутренних связей между ними. Эффективное функционирование сложных процессов возможно лишь при применении систем автоматического контроля и управления. Поэтому, наряду с изучением технологии и технологического оборудования будущий специалист по эксплуатации нефтехимических предприятий изучает дисциплину «Основы автоматизации производственных процессов” или “Системы управления ХТП”.

Цель дисциплины

Цель дисциплины сформировать у студентов знание теоретических основ автоматического управления технологическими процессами, научить формулировать основные требования, предъявляемые к системам автоматизации, привить навыки по обоснованному выбору необходимых средств автоматизации в строгом соответствии с особенностями технологических процессов и технологического оборудования.

Задачи изучения

В соответствии с этим, программой предусмотрено изучение теоретических основ автоматики, методов и средств контроля и регулирования технологических процессов, технических средств автоматического регулирования, а также систем автоматизации типовых объектов переработки сырья нефтехимических предприятий.

Рекомендации по изучению

При изучении дисциплины наряду с чтением лекций и проведением лабораторных занятий предусматривается самостоятельная работа студентов с конспектами лекций и рекомендуемой литературой. Проверка усвоения материала проводится при выполнении лабораторных работ и контрольных заданий. Структура и объем учебного курса приведены в табл. 1.







Структура и объем учебного курса для специальностей 2501, 2504, 2506.

Таблица 1


Вид занятий

Количество часов
в 7 семестре
Количество часов
в 8 семестре



2501
2504
2506
2501
2504
2506

1.
Лекции
6
6
6
6
6
6

2.
Лабораторные работы



8
8
8

3.
Контрольные работы



+
+
+

4.
Зачет







5.
Экзамен



+
+
+

6.
Консультации



+
+
+



Содержание программы учебных занятий

Перечень тем и количество часов лекционного курса даны в табл.2
Таблица 2


Наименование раздела
Примечание

1.





2.









3.






4.
5.

Раздел 1. Основы автоматики, классификация систем автоматического регулирования.
1.1 Статические и динамические свойства АСР, типовые
динамические звенья, передаточные функции.
1.2.Выбор регуляторов, показатели качества АСР.
Раздел 2. Технические средства автоматизации.
2.1. Сведения из метрологии, погрешность измерения.
2.2. Выбор приборов для измерения температуры.
2.3. Выбор приборов для измерения количества и расхода жидкости и газа.
2.4. Выбор приборов для измерения уровня.
2.5. Выбор анализаторов качества.
2.6. Выбор исполнительных устройств.
2.7. Выбор вторичных приборов.
Раздел 3. Типовые схемы автоматизации основных процессов нефтехимических производств.
3.1. Основные схемы автоматизации колонн
ректификации.
3.2. Основные схемы автоматизации трубчатых печей.
3.3 Основные схемы автоматизации реакторов.
Библиографический список.
Приложения.



Перечень тем лабораторных работ на 8 часов по выбору.
Таблица 3


Наименование работ
Кол-во часов
Специальность

1.

2.

3.
4.

5.

6.
7.
8.

9.
Изучение и поверка промышленных автоматических мостов.
Изучение и поверка промышленных автоматических мостов.
Поверка промышленных регуляторов.
Изучение динамических звеньев на ЭВМ.

Определение параметров модели процесса ректификации на ЭВМ.
Исследование АСР уровня на стенде.
Исследование АСР расхода на стенде.
Деловая игра “Обессоливание и обезвоживание нефти (ЭЛОУ)”
Деловая игра “Оператор”

2

2

2
2

2

2
2
2

2
2501, 2504, 1717, 1702, 0906.
2501, 2504, 2506, 0906.

2501, 2504, 2506
2501, 2504, 2506,1717,
1702, 0906
” –

” –
” –
0906

0906,1717
1702


ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Автоматической системой регулирования (АСР) называется совокупность объекта регулирования и регулятора, взаимодействующих между собой. В АСР могут быть осуществлены различные принципы регулирования. Если на вход регулятора подается только ошибка регулирования 13 EMBED Equation.3 1415, то в АСР осуществлен принцип регулирования по отклонению; если на вход регулятора подается только возмущающее воздействие f(t), то в ней осуществлен принцип регулирования по возмущению; если на вход регулятора подаются одновременно ((t), и f(t), то такие системы регулирования называются комбинированными.
Теоретически любую АСР можно рассматривать как систему преобразования сигнала Х(t) (задающего или возмущающего) в выходной сигнал y(t); поэтому уравнение преобразования х(t) в у(t) формально можно записать в виде:
13 EMBED Equation.3 1415
где W оператор преобразования (правило), означающий ту математическую операцию, которую необходимо провести над X(t), чтобы получить У(t).
Любую автоматическую систему регулирования можно рассматривать как последовательное соединение в общем случае шести элементарных звеньев:
пропорциональное (усилительное, безинерционное);
интегрирующее;
апериодическое инерционное;
колебательное;
идеальное* дифференцирующее (I и II порядка);
запаздывающее, для каждого из которых (имеются следующие характеристики: а) уравнение; б) передаточная функция W(р); в) переходная характеристика h(t); г) комплексно-частотная характеристика (КЧХ) W(j(); д) амплитудно частотная характеристика (АЧХ) A((); е) фазочастотная характеристика (ФЧХ) ((().
Автоматическая система регулирования компонуется из элементарных звеньев путем различного их соединения. Различают последовательное, параллельное и встречно-параллельное соединения звеньев. При последовательном соединении выходная величина предыдущего звена является входной величиной последующего. Передаточная функция системы равна произведению передаточных функций отдельных звеньев:
13 EMBED Equation.3 1415

В случае параллельного соединения звеньев входная величина равна сумме выходных величин отдельных звеньев. Передаточная функция системы равна сумме передаточных функций этих звеньев:
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415
При встречно-параллельном соединении звеньев на вход соединения одновременно с входной величиной системы подастся ее выходная величина, прошедшая через звено обратной связи с передаточной функцией соединения W0.с. (р). Передаточная функция соединения имеет вид:

13 EMBED Equation.3 1415

В знаменателе знак « + » относится к отрицательной обратной связи,
когда13 EMBED Equation.3 1415, знак «» относится к ПОС, когда13 EMBED Equation.3 1415
Под устойчивостью системы понимается ее способность возвращаться к состоянию установившегося равновесия после устранения возмущения, нарушившего указанное равновесие. Устойчивость линейных АСР определяется только корнями характеристического уравнения (знаменатель передаточной функции системы), которое имеет вид:
13 EMBED Equation.3 1415
и формируется следующим образом: для устойчивости линейной АСР необходимо и достаточно, чтобы все вещественные корни характеристического уравнения были отрицательны, а комплексные корни имели отрицательную вещественную часть, т. е. все корни должны располагаться в левой полуплоскости корней рi.
Наиболее простой и эффективный путь определения устойчивости АСР это использование алгебраического критерия Гурвица, который хорошо описан в литературе по основам теории автоматического регулирования.

Вариант задания 1

Приведите технические аналоги одного из указанных ниже звеньев и дайте основные характеристики этого звена:
1) апериодическое (инерционное);
2) интегрирующее;
колебательное;
дифференцирующее (1-го порядка);
запаздывающее;
апериодическое (инерционное);
интегрирующее;
колебательное;
дифференцирующее (1-ого порядка);
запаздывающее
Р е ш е н и е

В качестве аналога интегрирующего звена можно предложить электропривод с регулируемой скоростью, вращения выходного вала электродвигателя, поршневой гидропривод.
Далее приводятся дифференциальное и интегральное уравнения интегрирующего звена с объяснением зависимости выходной величины от входной. Рассчитывается вопрос о скачкообразности изменения входной величины и получении ответа на выходе этого звена в безразмерной форме.

Вариант задания 2
Ответить на один из следующих вопросов.
1. Чем характеризуются устойчивые и неустойчивые САР?
2. Нарисовать схему астатического регулятора и объяснить его работу.
3.Какие существуют основные «связи между звеньями? Рассмотреть последовательные, параллельные, соединения с обратной связью (встречно-параллельные).
4. Нарисовать схему статического регулятора и объяснить его работу.
5. Нарисовать схему астатического регулятора и объяснить его работу.
6. Какие существуют основные «связи между звеньями? Рассмотреть последовательные, параллельные, соединения с обратной связью (встречно-параллельные).
7. Чем характеризуются устойчивые и неустойчивые САР?
8. Нарисовать схему астатического регулятора и объяснить его работу.
9. Какие существуют основные «связи между звеньями? Рассмотреть последовательные, параллельные, соединения с обратной связью (встречно-параллельные).
10. Нарисовать схему статического регулятора и объяснить его работу.

Р е ш е н и е


Функциональная схема астатического .регулятора приведена на на рис. 1.


Рис. 1


Принципиальная схема регулятора давления дается на рис. 2.

13 EMBED Word.Picture.8 1415
Рис. 2.

Системы, описываемые уравнениями вида:

13 EMBED Equation.3 1415

не обладают статической характеристикой, поэтому они называются -астатическими. При астатическом регулировании отклонение регулируемой величины в установившемся состоянии равно нулю.

Астатические системы регулирования поддерживают регулируемый параметр точно на заданном значении без статической ошибки.
На чертеже (рис. 2) представлена схема автоматического регулирования давления среды (прямые регуляторы). По трубопроводу 1, на котором установлен клапан 7, соединенный штоком 2 с подвижной жесткой опорой мембраны 3, протекает, например газообразная среда, давление которой необходимо регулировать. В равновесном состоянии усилие, развиваемое средой на мембрану и действующее сверху, равное отношению величины давления на площадь мембраны, уравновешивается усилием, создаваемым грузом 6 на шток 2 и направленным вверх. Так как последнее усилие неизменно и при постоянном весе груза и плеч рычага 4, то равновесие системы можно только при одном, вполне определенном давлении среды. Настройка регулятора осуществляется либо изменением плеч рычага 4, либо изменением веса груза 6. Независимо от расхода среды клапан будет стремиться занять такое положение, при котором отклонение давления от заданного будет равно нулю.
Таким образом, при астатическом регулировании равновесие системы устанавливается при единственном значении регулируемой величины, равной заданной, причем входная величина при этом может иметь различные значения.

Вариант задания 3

Пусть имеется замкнутая система автоматического регулирования, состоящая из объекта управления с передаточной функцией13 EMBED Equation.3 1415и автоматического регулятора с передаточной функцией 13 EMBED Equation.3 1415. Требуется, используя критерий устойчивости АСР (например, алгебраический критерий Гурвица), определить устойчива или неустойчива система, приведенная на рис.3.
Рис.3.

Для выполнения задания следует воспользоваться табл.4-10.
Передаточные функции звеньев в прямой цепи и цепи обратной связи находятся в соответствии с последней цифрой номера зачетной книжки. (табл.4).





Таблица 4
Номер по списку
Задание

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10












13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415

Таблица 5

A
B
C
D

K1
1
2
1
1

K2
1,2
1,1
0,8
1

T
40
38
140
100



2. 13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415

Таблица 6

A
B
C
D

K1
1
2
1
1

K2
1,2
1,2
0,8
1

T
40
38
120
180



3. 13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415

Таблица 7

A
B
C
D
E

K1
0,8
1
1,5
2
1

K2
2
0,8
1
1
0,8





Пример решения

Исследовать на устойчивость автоматическую систему регулирования, представленную на чертеже посредством алгебраического критерия, при следующих значениях параметров элементов системы; Т0 = 420 с; Ти = 90 с; Тиу=18 с; Kип=3,33
Kp=0,4; Киу=1,5. Схема представлена на рис. 4.


Рис. 4

По уравнению динамики системы
13 EMBED Equation.3 1415

где 13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415;
13 EMBED Equation.3 1415.
Запишем ее характеристическое уравнение в виде

13 EMBED Equation.3 1415
Подставляя значения параметров элементов системы, получим

136080p3 + 7884p2 + 54p+1=0

По алгебраическому критерию система 3-го порядка устойчива, если все коэффициенты характеристического уравнения положительны и произведение коэффициентов средних членов характеристического уравнения превышает произведение коэффициентов крайних членов.
В рассматриваемом случае все коэффициенты характеристического уравнения положительны, а также справедливо неравенство
7884(54> 136080(1, т. е. 425736> 136080.
Таким образом, вывод, что исследуемая автоматическая система, регулирования 3-го, 4-го и 5-го порядков: для n=3
а,>0; а,а2а0а3>0; а|3>0;

для n=4


Задание 4

В условных обозначениях вычертить следующие системы автоматического контроля и регулирования (ГОСТ 21.404-85. Условные графические обозначения средств автоматизации):
1) расхода (F) ;
2) давления (Р) ;
3) уровня (L) ;
4) температуры (Т);
5) соотношения двух расходов;
регулирование T c коррекцией по F;
температуры (T);
расхода (F);
давления (P);
соотношения двух расходов.


ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

В системах автоматического управления для измерения (регистрации) текущих значений величин технологических параметров (давления, уровня, температуры, расхода, качества и др.) используются различные измерительные устройства; к ним относятся измерительные приборы и измерительные преобразователи. Средства измерения, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, называются - измерительными приборами. Средство измерения, вырабатывающее сигналы в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не позволяющее; наблюдателю непосредственно воспринимать этот сигнал, называют измерительным преобразователем. Кроме того, в измерительной технике часто используют понятия: первичный измерительный преобразователь, т. е. первый в измерительной цепи, и передающий измерительный преобразователь, т. е. тот, который предназначен для дистанционной передачи сигнала.
Отклонение показаний измерительного устройства от истинного значения измерительной величины характеризуется его погрешностью. Погрешности выражаются в виде абсолютных и относительных величин.
Абсолютная погрешность представляет собой разность показаний измерительного прибора и действительного значения измеряемой величины, т. е.
13 EMBED Equation.3 1415
Относительная погрешность, %, определяется выражением вида

13 EMBED Equation.3 1415
Приведенная погрешность, %,
13 EMBED Equation.3 1415
где N нормирующее значение (верхний предел измерения, диапазон измерения, длина шкалы и др.).
Для оценки точности работы средств Измерений установлены так называемые классы точности измерительной аппаратуры. Класс точности средства измерения представляет собой его обобщенную характеристику, определяемую пределами допустимых основных и дополнительных погрешностей. Для технических (измерительных устройств класс точности устанавливается по заранее заданной допускаемой основной приведенной погрешности. По его величине измерительные устройства делятся на классы точности выпускаемых промышленных приборов от 0,05 до 4,0. В большинстве случаев это 0,25; 0,5; 1,0; 1,5.

Задание 5

Перечислить первичные измерительные преобразователи (датчики) и приборы, пригодные для измерения технологического параметра «температура». Привести классы точности первичных измерительных преобразователей и приборов для измерения температуры.
Варианты заданий сведены в табл. 11.

Таблица 11
Вариант
Температура объекта,0С

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
850
1200
300
150
50
5
185
35
380
1600

Задание 6

Имеется несколько приборов различной точности и с различными пределами измерений (А - класс точности прибора). Для каждого прибора имеется класс точности А и диапазон измерений от Хн до Хк.( Хн и Хк собственно начальное и конечное значения диапазона измерений.
Требуется определить, какой из приборов обеспечит большую точность (измерения величины X). Известно, что величина Х находится между начальным и конечным значениями диапазона измерений.
Данные, приведенные в табл. 12, составлены применительно для случая измерения избыточного давления.

Таблица 12
№ п/п
Класс точности прибора
А
Диапазон измерения
от Xн до Xк
Значения величины X,Па


1 прибор
2 прибор
3 прибор
1 прибор
2 прибор
3 прибор


1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0,1
0,15
0,1
0,1
0,25
0,1
0,1
0,1
0,25
0,1
0,25
0,1
0,5
0,25
0,25
0,25
0,5
0,5
0,25
0,25
0,5
0,25
0,25
0,5
0,5
0,5
0,25
0,25
0,15
0,5
0-4
0-6
0-10
0-2
0-3,2
0-3,8
0-4,6
0-16
0-10
0-10
0-3
0-5,8
0-8,6
0-1,8
0-4,6
0-4,2
0-5,8
0-20
0-8
0-16
0-6
0-4,6
0-9,2
0-3
0-5,1
0-7,8
0-7,2
0-18
0-12
0-4
2,8
3,2
6,8
1,4
2,8
2,9
4,8
10,2
4,8
6,2




Задание 7

Производилось измерение температуры с помощью термоэлектрического преобразователя (термопары), подключенного непосредственно к милливольтметру. Необходимо: а) определить температуру Ти измеряемой среды, если милливольт-метр показал температуру Т, при температуре свободных концов термоэлектрического преобразователя То'. Градуировка термопары была проведена при температуре свободных концов То = 20°С. Считать, что другие источники погрешностей отсутствуют; б) начертить схему измерения температуры применительно к условию задания при наличии устройства для автоматической компенсации погрешности от измерения температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя.
Варианты заданий приведены в табл. 13.


Таблица 13
Вариант
Тип термопары
Показания
милливольтметра
Т,0С
Температура свободных концов термопары
Т0, 0C

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
ХА
ХА
ХА
ХА
ХА
ХА
ХА
ХА
ХА
ХА
657
385
412
611
128
318
228
230
416
381
29,5
27
22,5
30
21,5
22,5
26
21
26
22




Задание 8

Описать предлагаемую схему управления и регулирования заданного технологического объекта.

Варианты задания:
Стабилизация температуры продукта на выходе из печи, работающей на смешанном топливе.
Автоматическая система регулирования процесса горения в печи с естественной тягой.
Описать функциональную схему автоматизации колонны ректификации.
АСР теплового режима реактора установки гидроочистки.
Автоматическая система регулирования процесса горения в печи с естественной тягой.
Описать функциональную схему автоматизации колонны ректификации.
Стабилизация температуры продукта на выходе из печи, работающей на смешанном топливе.
Автоматическая система регулирования процесса горения в печи с естественной тягой.
Описать функциональную схему автоматизации колонны ректификации.
АСР теплового режима реактора установки гидроочистки.

Примечание: Кроме перечисленных объектов можно привести систему управления любым технологическим аппаратом нефте-химического производства.

Пример решения
ВАРИАНТ 1. Автоматическая система стабилизации температуры продукта на выходе из печи, работающей на смешанном топливе (рис. 4). Схема обеспечивает поддержание температуры на выходе из продуктового змеевика за счет использования регулятора с настраиваемой зоной нечувствительности. На линии выхода продукта установлен термоэлектрический преобразователь типа хромель-копелевой термопары (поз. 1-1), нормирующий преобразователь (поз. 1-2), электро-пневмопреобразователь (поз. 1-3), выходной сигнал, который поступил в качестве переменной на вторичный прибор (поз. 1-4) и пневматический регулятор (поз. 1-5). Выходной сигнал с регулятора поступает на исполнительное устройство (поз. 1-1) на линии топливного газа и на регулятор с настраиваемой зоной нечувствительности (поз. 1-7).
Если температура находится в пределах определяемых зоной нечувствительности, работает клапан (поз. 1-6) и в печь подается только газообразное топливо.
При выходе температуры из заданной зоны нечувствительности срабатывает регулирующее устройство (поз. 1-7), подается сигнал на исполнительное устройство (поз. 1-9), установленное на линии подачи жидкого топлива этим достигается его экономия.


























Библиографический список

Контрольно-измерительные приборы и автоматика. Учебник для средних ПТУ-2-е изд. Переработанное и дополненное./ А.М. Камразе, М.Я.Фитерман. Л.:Химия, 1998.
Основы автоматизации химических производств и техника вычислений. Учебник для техникумов, 2-е изд./ Ю.К.Малышев. М, :Химия 1982.
Автоматизация химических производств. Л.Н.Полоцкий, Г.Н.Лапшенков.
М,: Химия, 1978.
Автоматизация производственных процессов и АСУТП в химической промышленности.В.А.Голубятников, В.В.Шувалов.М,: Химия, 1978.
Системы автоматического управления отрасли. Методические указания к курсовому проектированию/ Самарский государственный технический университет, сост. Г.Ф.Скоробогатова. Самара 2001.30с
Бородин Н.Ф., Судник Ю.А. Автоматизация технологических процессов.- М.: Космос, 2003 –344 с.: ил. (Учебники и учеб. пособия для студентов высш.учеб. заведений).
Методика изучения схем и технических средств автоматизации: Учеб. метод. пособ. / Г.Ф. Скоробогатова, Н.А. Сизова, Е.С. Нефедова. Самар. гос. техн. ун-т, Самара, 2005.
















































13PAGE 15


13PAGE 141615



13 EMBED PBrush 1415

13 EMBED PBrush 1415

13 EMBED PBrush 1415

Р и с. 5. Автоматическая система стабилизации температуры на выходе из печи,
работающей на смешанном топливе




































П - 1

1 - 6

1 - 9



Жидкое
топливо


Газовое
топливо


НС
1-8

2-1

ТС TRK
1-5 1-4

ТУ
1-3

TY
1-2

TE
1-1

PC
1-7



Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native15Times New Roman

Приложенные файлы

  • doc 1782522
    Размер файла: 747 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий