В основных направлениях экономического и социального развития становится задача развивать производство электронных устройств регулирования и телемеханики, исполнительных механизмов, приборов и датчиков систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов, агрегатов, машин и оборудования. Во всем этом могут помочь автоматизированные системы управления [1]
Автоматизированная система управления или АСУ — комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. АСУ применяются в различных отраслях промышленности, энергетике, транспорте и т. п. Термин автоматизированная, в отличие от термина автоматическая подчеркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации.
Опыт, накопленный при создании автоматизированных и автоматических систем управления, показывает, что управление различными процессами основывается на ряде правил и законов, часть из которых оказывается общей для технических устройств, живых организмов и общественных явлений.
Производство продуктов разделения воздуха, так как азот, кислород, аргон, ксенон и других, широко востребовано современной промышленностью в различных технологических процессах. Так как в них требуется высокое качество и чистота получаемых газов, правила разделения воздуха жестко регламентированы множеством нормативных актов и инструкции, в частности ГОСТ 26460-85 «Продукты разделения воздуха. Газы. Криопродукты. Упаковка, маркировка, транспортирование и хранение», а установка разделения воздуха может быть разработана и создана только в соответствии с «Инструкцией по проектированию производства газообразных и сжиженных продуктов разделения воздуха» [2].
Существуют три метода разделения воздуха: адсорбционный, мембранный и криогенный. Отсюда и типы установок: адсорбционные, мембранные и криогенные.
В адсорбционных установках — сжатый воздух проходит через один из двух попеременно работающих адсорберов, в результате осуществляется доминирующее поглощение азота или кислорода из воздуха, а оставшийся газ направляется потребителю.
У мембранных суть работы заключается в различной скорости проникновения выделяемого элемента через материал мембраны.
Криогенные установки предназначены для получения кислорода, азота, аргона и смесей редких газов из окружающего воздуха путем низкотемпературной ректификации.
В данной статье рассматривается разделение воздуха, криогенным методом, с целью получения аргона.
Аргон по летучести занимает промежуточное положение между азотом и кислородом — основными компонентами воздуха. Этим и объясняется специфическое поведение аргона при ректификации жидкого воздуха. Окончательное разделение жидкого воздуха на азот и кислород производится в колонне низкого давления воздухоразделительного аппарата. Дистиллятом этой колонны является газообразный азот, а нижним продуктом — газообразный или жидкий кислород. В качестве основного показателя эффективности данного процесса выступает чистота получаемого дистиллята аргона [3]
Целью процесса, описанного в этой статье, является поддержание процентных содержаний азота и кислорода в чистом аргоне на заданных значениях. Содержание азота в чистом аргоне должно быть не более 0.0005%. Содержание кислорода в чистом аргоне должно быть не более 0.005%. Процесс получения чистого аргона должен происходить при максимально большой интенсивности и экономичности процесса, кроме того, протекание процесса должно быть безопасным и безаварийным.
Суть метода состоит в трёхступенчатом отделении аргона от азота и кислорода, изначально состоящих с ним в смеси, в сниженном воздухе. Каждая ступень — это ректификационная колонна с обвязкой из трубопроводов, теплообменников, технологического оборудования и средств автоматизации. Каждая колонна сконструирована особым образом и выполняет свои функции в системе. Первая колонна — колонна сырого аргона — это колонна, в нижнюю часть которой поступает аргонная фракция, имеющая в своём составе — 88% кислорода и 0.7% азота. Вторая колонная (технического аргона) имеет на входе уже сырой аргон с содержанием 0.5% кислорода; 2.3% азота. Третья колонна — колонна чистого аргона имеет на входе технический аргон с содержанием в нем 0.002% кислорода, 0.01% азота, а на выходе чистый аргон с содержанием 0.0002% кислорода и 0.002% азота.
В качестве объекта исследования выбран контур регулирования температуры сырого аргона на входе в колонну технического аргона путем изменения расхода кубовой жидкости из нижней колонны установки разделения в теплообменник (поз.10)
Для определения свойств объекта применяется экспериментальный метод
Суть экспериментального метода заключается в некотором воздействии на вход объекта, фиксации отклика на выходе объекта и обработке экспериментальных данных по принятым в теории автоматического регулирования методикам.
При воздействии на входную величину объекта выходная величина изменяется от начального значения до конечного установившегося значения в виде переходного процесса.
Определение передаточной функции объекта по его переходной характеристике производится по методике, в основе которой лежит метод аппроксимации. Суть данного метода заключается в замене реального исследуемого объекта на некоторый идеальный, параметры которого заранее известны и их набор минимален, и отличающийся от реального объекта на предельно допустимую погрешность. В теории автоматического регулирования такие идеальные объекты называются типовыми звеньями.
Для снятия временных характеристик, объект управления приводится в равновесное состояние t0 = -185C, а затем вносится возмущающее воздействие по линии расхода кубовой жидкости, импульсное увеличение подачи расхода кубовой жидкости перемещением регулирующего клапана (Δх = 20 %).
Реакция объекта на это возмущение, кривая разгона, регистрируется в координатах: выходная величина — температура, время. Изменение выходной величины регистрируют до тех пор, пока объект управления не примет нового установившегося значения (Рис.2)
Определяется передаточная функция объекта управления [5]. Метод предназначен для объектов, переходная характеристика которых имеет S-образный вид. Зависимость температуры воды от расхода пара можно описать передаточной функцией, представленной в виде:
, (1)
где: k — коэффициент усиления; T — постоянная времени, с; τ — время запаздывания, с.
Получившиеся численные значения коэффициентов k, T, n, τ, заносятся в формулу (1) передаточной функции:
Следовательно, объект управления имеет первый порядок и обладает временем запаздывания равным 2,2 секундам
При наложении исходного графика и графика, построенного в программном средстве VisSim, можно сделать вывод, о том, что полученная передаточная функция адекватна исходной кривой разгона (Рисунок 3).
Для обеспечения нормального хода технологических процессов, поддержания или изменения по заданным законам таких величин, как температура, давление, расход, уровень и др., применяют автоматические регуляторы.
Для регулирования температуры в теплообменнике выбирается пропорционально-интегральный (ПИ) закон регулирования, так как он обеспечивает высокую точность и качество переходного процесса.
Подбор коэффициентов ПИ-регулятора позволил улучшить вид переходной характеристики. Оптимальные коэффициенты:
k1 = 14.9 — пропорциональная составляющая;
k2 = 0.13636 — интегральная составляющая;
Исследованная выше устойчивость системы обеспечивает затухание переходных процессов с течением времени, т.е. обеспечивает принципиальную возможность прихода системы в некоторое установившееся состоянии при любом внешнем возмущении.
Основные показатели качества управления системы с ПИ-регулятором:
- Перерегулирование σ = 23%;
- Степень затухания Ψ = 1;
- Время регулирования Tp= 128 секунд;
- Колебательность N = 3.
Полученные основные показатели качества управления ПИ- регулятором являются приемлемыми.
Исходя из полученных данных, была рассчитана передаточная функция объекта управления, согласно которой объект имеет 1–й порядок с запаздыванием 2.2 секунд. Сформированы и решены основные задачи оптимизации системы управления, составлена математическая модель объекта управления. Произведен анализ качества управления объектом. Произведен расчет и подбор оптимальных настроечных коэффициентов ПИ–регулятора, проведено моделирование процесса управления.