Повышение качества регулирования температуры труб в печи

№122-1,

Технические науки

В данной статье рассмотрена модернизация автоматизированной системы управления процессом нормализации труб в печи с шагающими балками. Этот процесс является важным этапом в производстве бесшовных труб, поэтому качество, производительность и конкурентоспособность продукции зависят от точности ведения технологического процесса нагрева. 

Похожие материалы

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:

  1. Исследовать технологические особенности процесса нормализации труб с анализом средств автоматизации с точки зрения их применимости в процессе;
  2. Разработать математическое описание печи нормализации и системы регулирования температуры в печи путем изменения подачи газа на горелки;
  3. 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.

Схема регулирования температуры в печи путем изменения расхода газа
Рисунок 1. Схема регулирования температуры в печи путем изменения расхода газа

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.

Таблица 1. Исходные данные переходного процесса

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

Исходный график переходного процесса
Рисунок 2. Исходный график переходного процесса

Путем преобразования исходных данных в относительные единицы в диапазоне 0-100% , строится новый график кривой разгона.

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

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:

k=\frac{\Delta y(t)}{\Delta x}, 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%;

k=\frac{100\%}{25\%}=4

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.

Таблица 2. Значения вспомогательных коэффициентов k1 и k2 объектов различного порядка
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:

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

W(p)=\frac{4}{(83.88p+1)^2}\cdot e^{-p\cdot 3.35}=\frac{4}{7035.85p^2+167.76p+1}\cdot e^{-p\cdot 3.35}

По рассчитанной передаточной функции объекта в программном средстве VisSim строится график переходного процесса.

Графическое изображение переходного процесса ( 1 — экспериментальная кривая, 2 — моделированная кривая)<br>
Рисунок 4. Графическое изображение переходного процесса ( 1 — экспериментальная кривая, 2 — моделированная кривая)

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).

Переходный процесс системы с коэффициентом пропорциональности
Рисунок 5. Переходный процесс системы с коэффициентом пропорциональности

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).

Переходный процесс системы с ПИД-регулятором
Рисунок 6. Переходный процесс системы с ПИД-регулятором

Большое перерегулирование требует ручной подстройки коэффициентов (рис. 6).

Переходный процесс системы с подобранными коэффициентами ПИД-регулятора
Рисунок 7. Переходный процесс системы с подобранными коэффициентами ПИД-регулятора

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 \sigma=\frac{Y_{max}}{Y_u}, где

Ymax — максимальное значение отклонения от Yu, %

Yu — установившееся значение выходной величины, %

\sigma=\frac{100.075}{100}=0.75\%

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.