Моделирование системы управления технологическим процессом рекуперации этилацетата

№122-1,

технические науки

Данная работа посвящена автоматизации технологического процесса рекуперации этилацетата. В статье рассматривается необходимость моделирования автоматизированной системы управления температурой паров этилацетата. Произведен расчет и подбор оптимальных настроечных коэффициентов ПИ–регулятора, проведено моделирование процесса управления, произведен анализ качества управления объектом. Полученная система автоматического регулирования обеспечивает качественное регулирование и поддержание температуры в теплообменнике охлаждения паров этилацетата, на значениях установленных техническим регламентом.

Похожие материалы

Объектом управления является установка по рекуперации этилацетата.

Работа рекуперационной установки основана на принципе поглощения паров этилацетата из паровоздушной смеси активным углем (адсорбция), отгонки этилацетата из активного угля перегретым паром (десорбция), сушка активного угля нагретым воздухом и его охлаждение (восстановление активного угля).

Установка имеет в своем составе 4 адсорбера. Постоянно в работе находится 3 адсорбера (из них 2 адсорбера на насыщении, третий в это время находится на десорбции, сушке или охлаждении активного угля). Четвертый адсорбер находится в резерве.

Объектом управления выбран теплообменник для охлаждения паров этилацетата и воздуха (ПВС), поступающих из цеха паронит от вальцов с температурой 48 ºС. Охлаждение паров этилацетата требуется для обеспечения безопасности технологического процесса адсорбции. Смесь паров этилацетата проходит через слой активного угля в адсорбере и, если температура смеси превысит температуру 40 ºС, то это может привести к ее воспламенению и взрыву. В связи с этим, необходимо поддерживать температуру 35 ºС.

Схема объекта управления
Рисунок 1. Схема объекта управления

Для охлаждения ПВС в теплообменнике используется промышленная вода с температурой на входе не более 25 0С. Давление охлаждающей воды должно быть не менее 196 кПа.

Для определения передаточной функции теплообменника охлаждения ПВС необходимо получить экспериментальную кривую изменения температуры на выходе с объекта управления.

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 [1].

При воздействии на входную величину объекта выходная величина изменяется от начального значения до конечного установившегося значения в виде переходного процесса.

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 [2].

Для снятия временных характеристик достигается постоянство температуры ПВС t0 = 48 °C, затем вносится на вход возмущающее воздействие — ступенчатое увеличение расхода воды (????х = 20%). Реакция объекта на это возмущение, кривая разгона, регистрируется в координатах: температуры — время. Изменение выходной величины регистрируется до тех пор, пока объект управления не примет новое установившееся значение в 35°C (рисунок 2).

Исходный переходной процесс
Рисунок 2. Исходный переходной процесс

Исходная кривая разгона преобразуется в относительные координаты в диапазоне от 0 до 100 процентов и переворачивается на нагрев для удобства расчетов.

Определение передаточной функции объекта управления
Рисунок 3. Определение передаточной функции объекта управления

Метод [2] предназначен для объектов, переходная характеристика которых имеет S-образный вид.

Зависимость температуры ПВС от расхода воды можно описать передаточной функцией, представленной в виде:

W(p)=\frac{k}{(Tp+1)^n}\cdot{e^{-p\tau }}

где: k — коэффициент усиления; T — постоянная времени, с; τ — время запаздывания, с.

Получившиеся численные значения коэффициентов, заносятся в формулу передаточной функции:

W(p)=\frac{5}{2.989p^2+3.458p+1}\cdot{e^{-0.52p }}

Следовательно, объект управления имеет второй порядок и обладает временем запаздывания равным 0.52 секундам.

Графическое изображение переходного процесса передаточной функции второго порядка: 1 — Исходная кривая изменения температуры в теплообменнике, 2 — Кривая изменения температуры, в теплообменнике построенная в программе VisSim.
Рисунок 4. Графическое изображение переходного процесса передаточной функции второго порядка: 1 — Исходная кривая изменения температуры в теплообменнике, 2 — Кривая изменения температуры, в теплообменнике построенная в программе VisSim.

Для регулирования температуры ПВС выбирается пропорционально-интегральный (ПИ) закон регулирования, так как он достаточно прост в настройках и обеспечивает нулевую статическую ошибку регулирования.

Подбор коэффициентов ПИ-регулятора позволил улучшить вид переходной характеристики.

Оптимальные коэффициенты:

k1 = 0.19 — пропорциональная составляющая;

k2 = 0.0006 — интегральная составляющая;

Переходной процесс системы с подобранными коэффициентами ПИ-регулятора: 1 — Исходная кривая изменения температуры в теплообменнике, 2 — Кривая изменения температуры, с ПИ-регулятором
Рисунок 5. Переходной процесс системы с подобранными коэффициентами ПИ-регулятора: 1 — Исходная кривая изменения температуры в теплообменнике, 2 — Кривая изменения температуры, с ПИ-регулятором

Вывод об эффективности системы регулирования делается на основании показателей качества, таких как длительность переходного процесса (быстродействии системы), величина перерегулирования, степень затухания, колебательность [1, 3].

Основные показатели качества управления системы с ПИ-регулятором:

  1. Перерегулирование σ =7%;
  2. Степень затухания Ψ =1;
  3. Время регулирования Tp= 15,1секунд;
  4. Колебательность N =2.

Полученные основные показатели качества управления ПИ- регулятором являются приемлемыми.

Исходя из полученных данных, была рассчитана передаточная функция объекта управления, согласно которой теплообменник охлаждения ПВС имеет 2–й порядок с запаздыванием 0,52 секунды. Произведен расчет и подбор оптимальных настроечных коэффициентов ПИ–регулятора, проведено моделирование процесса управления, произведен анализ качества управления объектом.

Полученная система автоматического регулирования обеспечивает качественное регулирование и поддержание температуры в теплообменнике охлаждения паров этилацетата, на значениях установленных техническим регламентом.

Список литературы

  1. Сенигов П.Н. Теория автоматического управления: Конспект лекций. –Челябинск: ЮУрГУ, 2001 — 93с.
  2. Ротач В.Я. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами: Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат. 1985. — 296 с.
  3. Моделирование объектов управления [Электронный ресурс] // Vuzlit URL: https://vuzlit.ru/1125058/modelirovanie_obektov_upravleniya (Дата обращения: 26.01.2021.)