Внедрение автоматических систем в этот процесс позволяет снизить затраты и улучшить качество продукции, а также повысить производительность оборудования. Основным направлением автоматизации процесса подготовки труб к трехслойному антикоррозийному покрытию является совершенствование температурного режима процесса, который задается технологическими параметрами процесса.
Рост цен на сырье, материалы и энергоносители заставляет задуматься о наиболее эффективном использовании оборудования, снижая количество отходов и производственных отходов. Таким образом, задача состоит в том, чтобы обеспечить более безопасное протекание технологического процесса, улучшить качество продукции, снизить затраты на сырье и энергоносители, чему также способствует автоматизация процесса.
Применение программируемых контроллеров для управления секционной печью позволяет значительно расширить функциональные возможности управления, повысить эксплуатационные характеристики.
Это обеспечивается наличием программных и аппаратных средств самоконтроля и диагностики программируемых контроллеров, также программного контроля исправности.
Целью автоматизации печи является повышение качества управления в процессе нормализации труб. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
- Исследовать технологические особенности процесса нормализации труб с анализом средств автоматизации с точки зрения их применимости в процессе;
- Разработать математическое описание печи нормализации и системы регулирования температуры в печи путем изменения подачи газа на горелки;
- Разработать автоматизированную систему управления процессом нормализации труб с выбором актуальных средств измерения и логического контроллера.
Моделирование объекта и системы управления
Расчет передаточной функции объекта
Объектом управления является печь, которая состоит из трех зон нагрева (рис. 1). Труба, заходя в печь, постепенно нагревается в первом контуре до температуры, необходимой для нормализации. Температура труб в двух других контурах и на выходе из печи должна быть в диапазоне 950 ± 5°С. Регулирование температуры в печи осуществляется по температуре трубы, измеряемой пирометром, путем изменения расхода газа на горелки во всех зонах печи.
Передаточная функция в работе рассчитывалась на основе экспериментальных данных, полученных при нормализации труб длиной 10,5 м, диаметром 426 мм и толщиной стенки 18 мм. Время нагрева трубы в печи составляет 8-10 мин с начального значения температуры 20 °С до конечного 950 °С.
t, сек | 0 | 25 | 50 | 75 | 100 | 125 | 150 | 175 | 200 |
Т, 0С | 20 | 50 | 130 | 220 | 318 | 423 | 525 | 615 | 693 |
t, сек | 225 | 250 | 275 | 300 | 325 | 350 | 375 | 400 | 425 |
Т, 0С | 755 | 802 | 845 | 878 | 902 | 917 | 927 | 930 | 938 |
t, сек | 450 | 475 | 500 | 525 | 550 | 575 | 600 | ||
Т, 0С | 945 | 948 | 950 | 950 | 950 | 950 | 950 |
Путем преобразования исходных данных в относительные единицы в диапазоне 0-100% , строится новый график кривой разгона.
К точке перегиба, которая отмечает место перехода вогнутой части графика в выгнутую, строится касательная и отсекает на оси абсцисс отрезки времени Tab = 27, Tbd = 228.
Численное значение коэффициента усиления k определяется по формуле:
, где:
Δy(t) — разница между начальным значением температуры трубы и установившемся значением, после внесения возмущения, %;
Δх — величина возмущающего воздействия от номинального открытия клапана подачи газа в горелки, %.
Δy = 100 — 0 = 100%;
Δх = 25%;
По отношению Tab /Tbd из таблицы 2 определяется порядок объекта. При этом выбирается ближайшее меньшее к рассчитанному значению число.
Отношение Tab /Tbd равно 0.118, что соответствует объекту управления, имеющему второй порядок.
| Tab /Tbd | n | k1 | k2 |
0 | 1 | 1 | 0 |
0,104 | 2 | 2,718 | 0,282 |
0,218 | 3 | 3,695 | 0,805 |
0,319 | 4 | 4,463 | 1,425 |
0,41 | 5 | 5,119 | 2,1 |
Передаточная функция объекта определяется выражением:
, где:
T= Tbd / k1– постоянная времени объекта;
τy=T×k2 – условное время запаздывания;
τ = Tab — τy — время запаздывания.
T = 228 / 2.718 = 83.88
τy = 83.88 × 0.282 = 23.65
t = 27 — 23.65 = 3.35
Таким образом, полученная передаточная функция объекта имеет вид:
По рассчитанной передаточной функции объекта в программном средстве VisSim строится график переходного процесса.
По данным изменения температуры трубы от времени была определена математическая модель объекта управления. Объект имеет второй порядок и обладает временем запаздывания 3,35 секунд. По графику, построенному в программном средстве VisSim, выяснено, что объект управления является устойчивым и за 600 секунд достигает заданного значения.
Определение настроечных коэффициентов регулятора
Для регулирования расхода газа выбирается пропорционально-интегральный (ПИД) закон регулирования, так как он обеспечивает высокую точность и качество переходного процесса.
Расчёт ПИД регулятора производится по методу Зиглера–Никольса, преимуществами которого являются простая и быстрая настройка регулятора, с последующей дополнительной подстройкой параметров.
Путем подбора коэффициента пропорциональности k0 в управляющем устройстве, при каком система находится на границе устойчивости, найдено значение k0=12.65, T=74.9 (рис.5).
Расчет для нахождения коэффициентов ПИД-регулятора:
k1= 0.6 k0 → k1= 7.59 — П часть;
k2= 2/Т → k2= 0.0267 — И часть;
k3= Т/8 → k3= 9.36 — Д часть
В программном средстве VisSim осуществляется проверка коэффициентов регулятора (рис. 6).
Большое перерегулирование требует ручной подстройки коэффициентов (рис. 6).
Подбор коэффициентов ПИД регулятора позволил улучшить вид переходной характеристики (рис. 7). Оптимальные коэффициенты:
k1 = 0.39 — пропорциональная составляющая;
k2 = 0.00218 — интегральная составляющая;
k3 = 10 — дифференциальная составляющая.
Показатели качества регулирования
Теперь требуется, во-первых, чтобы установившееся состояние было достаточно близко к заданному и, во-вторых, чтобы затухание переходного процесса было достаточно быстрым, а отклонения (колебания) при этом были невелики.
В понятие качества входят, в частности, точность системы в установившемся состоянии и качество переходного процесса, исходя из некоторых оценочных характеристик качества, таких как длительность переходного процесса (быстродействие системы), величина перерегулирования, степень затухания, длительность переходного процесса, колебательность.
Процентное значение перерегулирования определяется по формуле , где
Ymax — максимальное значение отклонения от Yu, %
Yu — установившееся значение выходной величины, %
Степень затухания определяется по двум амплитудам колебаний переходного процесса, но так как в рассматриваемом процессе имеется только одно колебание, то степень затухания равняется 1.
Основные показатели качества управления системы с ПИД-регулятором:
Перерегулирование σ = 0.75%;
Степень затухания = 1;
Время регулирования Tp = 321 сек;
Колебательность N = 0.
Выводы
Полученные основные показатели качества управления ПИД-регулятором являются приемлемыми. Исходя из полученных данных, была рассчитана передаточная функция объекта управления, согласно которой объект имеет 2–й порядок с запаздыванием 3.35 секунды. Составлена передаточная функция объекта управления. Произведен расчет настроечных коэффициентов ПИД–регулятора, который позволил сократить время регулирования с 600 до 321 секунды, проведено моделирование процесса управления. Произведен анализ качества управления объектом.
Полученная САР обеспечивает качественное регулирование и поддержание температуры трубы на значениях, установленных технологическим регламентом.