автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизированная система управлениятехнологическим процессом приготовления рабочей смеси для печи разложения флюоритового концентрата

Для служебного пользования Экз. № 3 На правах рукописи

ЛЫСЕНОК АНДРЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

Автоматизированная система управления технологическим процессом приготовления рабочей смеси для лечи разложения флюоритового концентрата

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов (по

отраслям)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 1999

Работа выполнена в Тоыском политехническом университете

Научные руководители: кандидат технических наук кандидат технических наук

B.Ф. Дядик

C.Н. Ливенцов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

кандидат технических наук

Б.М. Кербель И.М. Егоров

Бедушяя организация: Сибирский химический комбинат

Защита состоится 24 декабря 1999г. в 15 час. на заседании диссертационного совета ССДР 063.24. 04 в Томском политехническом университете по адресу: 634004, Томск, пр. Ленина, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан $ Ь ноября 1999г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета, доктор технических наук

В. В. Гузеев

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Фтор, его неорганические, а также органические соединения имеют большое практическое значение. Фтороводород является исходным продуктом для получения разнообразных соединений фтора. Наибольшее количество безводного фто-роводорода (БФВ) расходуется в настоящее время на получение элементарного фтора, фтороуглеродов, синтетического криолита.

В ядерно-энергетическом топливном цикле фтороводород приметается для производства элементарного фтора, использующегося как фторирующий реагент при получении, разделении и аффинаже ядерного горючего. Это обусловлено наличием в природе лишь одного стабильного изотопа фтора, а также тем, что фтор образует устойчивое газообразное соединение с ураном - Ш6. В промышленных масштабах гексафторид урана получают прямым фторированием соединений урана элементарным фтором.

Кроме ядерио-энергетического топливного цикла соединения фтора широко применяются как вещества, обладающие очень высокой химической стойкостью (фторопласты) и электроизоляционными свойствами (фторопласты, гексафторид серы БГ^ - элегаз). Открытые в последнее время фториды галогенов и инертных газов (криптона, ксенона) являются сильными окислителями, что позволяет применять их в качестве компонентов ракетного топлива и фторирующих агентов. В последнее время разрабатываются вопросы применения органических соединений фтора для получения искусственной крови, изготовления искусственных кровеносных сосудов и других биоматериалов. Нельзя не упомянуть о широком применении фторосодержащих соединений в электронной промышленности. Замена хлоросодержащих хладонов фторосодержащими позволяет исключить разрушение озонового слоя атмосферы.

В промышлетшх масштабах элементарный фтор получают путем . г-тролиза, а основным компонентом электролита является безводный фтороводород. В свячи с этим роль и значение производства безводного фтороводорода возрастает с каждым годом.

Промышленный способ производства фтороводорода основан на разложении фторида кальция серной кислотой. Источником фторида кальция является флюоритовый концентрат (ФК), содержащий более 90% СаР2. Процесс ведется в обогреваемых вращающихся барабанных печах при 130-г200°С, куда непрерывно подаются ФК и рабочая смесь кислот (РСК), состоящая го серной кислоты - 88 4-96%, фтороводорода - 1 -'-1% и воды-2^5%.

При управлении технологическим процессом необходимо соблюдать жесткие требования, предъявляемые как к составу и количеству пульпы, представляющей собой смесь ФК и РСК, которая загружается в печь, так и к тепловым режимам печи. При этом вести процесс приготовления и разложения реакциотюй массы необходимо так, чтобы в отвал, т.е. в необратимые потери, уходило возможно меньше фторида кальция и серной кислоты. Это улучшает не только технико-экономические, но и экологические показатели производства, поскольку уменьшает количество вредных веществ, прежде всего серной кислоты и фтороводорода, попадающих в окружающую среду с отвалом. Обеспечение экологической безопасности и безотходности производства, что наиболее качественно обеспечивается автоматизацией управления, в настоящее время является весьма актуальной задачей. Кроме того, получающийся в качестве отходов гипс, содержащий минимальное количество фторида кальция и не более 1% серной кислоты, может быть использован в качестве вяжущего материала в строительстве, а такое использование отвала позволяет резко сократить количество отходов, поступающих на шламовые поля.

Представляемая в настоящей работе подсистема приготовления смеси реагентов и

подачи полученной смеси в печь позволила улучшить состав отвала, значительно сократив содержание в нем содержание CaF2 и Н 2SO4. Это позволило улучшить экономические и экологические показатели производства.

Основанием для проведения данной работы послужили хозяйственные договора ТПУ и АЭХК 0-86/92 от 18.12.1992г., 0-109/94 от 24.10.1994г., 0-18/96 от 19.01.1996г.

Цель работы. Целью настоящей работы является выполнение первого этапа создания автоматизированной системы управления процессом сернокислотного разложения ФК - разработка и внедрение на АЭХК подсистемы приготовления смеси реагентов, и подачи полученной смеси в печь для улучшения технико-экономических и экологических показателей, культуры производства и условий труда обслуживающего персонала. Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования печи разложения как технологического объекта управления. Структурная схема печи как ТОУ. Статические и динамические параметры печи разложения как ТОУ.

2. Алгоритм косвенного измерения расхода в реальном времени.

3. Результаты математического моделирования процесса приготовления рабочей смеси для печи разложения.

4. Алгоритмы управления для систем приготовления рабочей смеси и дозирования реагентов.

Результаты моделирования САР стабилизации расхода ФК.

5. Автоматизированная система управления процессом дозирования реагентов и приготовления рабочей смеси для печи разложения.

6. Результаты производственных испытаний, опытной и промышленной эксплуатация автоматизированной системы управления технологическими процессами дозирования реагентов и приготовления рабочей смеси.

Научная новизна.

1. Проведено исследование печи разложения как ТОУ.

2. Разработаны статическая и динамическая математические модели печи как ТОУ.

3. Предложен способ косвенного измерения расхода реагента в реальном масштабе времени.

4. Предложен метод структурного синтеза регулятора для САР стабилизации расхода реагента.

5. Разработана модель цифровой системы стабилизации расхода реагента с учетом помех, дискретизации и возмущений, близких к реальным.

6. Проведена параметрическая оптимизация разработанной модели системы стабилизации расхода реагента с целью получения оптимальных параметров САР стабилизации расхода.

Практическая ценность. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований определены статические и динамические параметры печи разложения как ТОУ. Методом моделирования САР стабилизации расхода определены оптимальные параметры звена измерения расхода и параметры настройки регулятора этой САР. Предложен алгоритм оперативного расчета расходов компонентов для приготовления рабочей смеси кислот заданного состава. Это позволило стабилизировать состав и расход загружаемой в печь массы, что привело к значительному снижению содержания в отвале серной кислоты и фторида кальция, более стабильному и качественному протеканию процесса разложения. Разработано специализированное устройство, обеспечивающее супервн-зорное и прямое цифровое управление расходами материальных потоков. Внедрение данного устройства позволило обеспечить связь УВК с объектом управления, повышение качества работы локальных контуров стабилизации. Устройство заменило большой объем

пневматических средств КИПиА и улучшило условия труда оператора. Вследствие всего этого, при неизменной производительности, уменьшился расход основных и вспомогательных реагетгов: СаР2 - на 60т в год, Нг504 - на 50т в год, СаО - на 40т в год, что привело к повышению экономической эффективности производства н создало предпосылки для вторичного использования отвала печей разложения. Годовой экономический эффект от внедрения разработанной системы составил 72 млн. рублей в год в ценах 1995г.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Областных научно-практических конференциях молодежи и студентов по техническим наукам и высоким технологиям, проходивших в г.Томске в 1995-96 гг., на Десятой международной конференции молодых ученых, специалистов и студентов по химии и химической технологии (" МКХТ-96") в 1996 г., на Первой международной научно-теоретической и практической конференции" Автоматизация-97", проходившей в г.Ташкент 2-4 октября 1997г., на Третьем международном симпозиуме "Конверсия науки -международному сотрудничеству", проходившем в г.Томске 18-20 мая 1999г., на Громов-ских чтениях 1999 г., проходивших на СХК в г.Северске, на семинарах кафедры и НТС АЭХК.

Публикации. По теме диссертации было опубликованы 5 тезисов докладов, 1 доклада на международных конференциях и 2 отчета о НИР. Всего 9 публикаций.

Структура н объем диссертации. Диссертация изложена на 172 листах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав основной части и заключения, иллюстрирована 40 рисунками, содержит 25 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 76 наименований.

1. Исследование процесса разложения флюорнтового концентрата

Наиболее распространенным промышленным методом получения БФВ является разложение ФК серной кислотой. Для производства фтороводорода обычно используется ФК высокой степени чистоты с содержанием фторида кальция 95 -^99%. Концентрация серной кислоты, используемой для разложения ФК, выбирается для каждого производства на основании технологических и экономических соображений и обычно колеблется в пределах 87-г98%. Основная реакция осуществляется во вращающихся барабанных печах. Газы, образующиеся в печи, обычно содержат до 95% фтороводорода и около 1% примесей: Н 2Й04, БО 2, СО г- Из печей выводится отвал, состоящий, в основном, из сульфата кальция и печной газ. И в отвале, и в печном газе содержится также небольшое количество продуктов, образующихся по побочным реакциям.

В цехе по производству безводного фтороводорода АЭХК процесс проводится во

аюшоошй 1*1 вращающейся барабанной печи марки

~г СКБ-5002 при температуре реакцион-

ФК рс>. г^——__________ной массы 130~200°С. Печь состоит из

| | I 1 '-—г—1Ц барабана и нагревательной камеры. Ба-

ет ^ / | I рабан имеет диаметр 1,6 м, длину 12,3 м

(МлМЧПШЩ у,—____1 г~Л | т0 и установлен с наклоном 1 "+0,2° в сто-

I / ТГ I тТТ року задней головки для самотранспор-

Х^___{| Ьшп тировки реакционной массы по длине

|| ЦЛ печи. Схема печи приведена на рис. 1.

V В барабане печи смонтировано

Тг Ъ ° ° настылеразрушающее устройство ( во-

Рис. 1. Схема печи разложения. родитель). В передней части барабана

врезаны газоход, служащий для вывода

реакционного газа, и пульпопровод, по которому поступает рабочая смесь га смесителя. На задней головке установлено устройство выгрузки отвала.

Нагревательная камера с электрическим обогревом предназначена для создания необходимой температуры внутри барабана печи. По электрической схеме включения нагревательная камера разделена на три независимые зоны обогрева. Мощности зон обогрева: первой - 150 кВт, второй и третьей- по 300 кВт. Длина каждой зоны составляет Зм. Температуры в зонах контролируются термопарами Ti, Т2, Т3. Температуры газа и отвала контролируются термопарами Тг и То соответственно.

ФК подается в печь через смеситель, в который также поступает РСК. РСК может приготавливаться и непосредственно в полости смесителя.

Анализ технологической схемы показывает, что основным процессом, определяющим производительность схемы, ритмичность и основные показатели производства БФВ, является процесс разложения ФК.

Обзор работ по автоматизации подобных производств показывает, что оригинальность технологической схемы, оборудования и номенклатуры исходных компонентов, используемых на производстве БФВ АЭХК, а также состояние автоматизации на других предприятиях не позволяет использовать какие-либо типовые модели, алгоритмы для автоматизированной системы управления на АЭХК. Поэтому для создания АСУ данного технологического процесса требуется проведение всего комплекса исследований.

Применяемый для получения БФВ обогащенный ФК содержит ряд примесей: карбонат кальция, кремнезем, сульфиды железа и т.п. На реакции с этими примесями расходуется серная кислота и получающийся HF, а продукты этих реакций нежелательны для ведения технологического процесса.

В процессе разложения ФК протекают следующие реакции:

CaF2+H2S04=CaS04+2HFT (1)

CaC03-l-H2S04=CaS04+C02+H20 (2)

Основными реагентами, потребляющими более 99% серной кислоты, являются СаР2 иСаС03. Основными составляющими отвала являются CaS04, непрореагировавшая часть CaF2 и H2S04.

В существующей технологической схеме поддерживается следующий состав РСК: HF - 1 т-7%, H2S04 - 88 -г-96%, Н20 -2-5%. Объемный расход РСК обычно лежит в пределах 550-г 700 я/ч. Соотношение компонентов, подаваемых для получения фтороводорода, выбирается с избытком H2S04 по отношению к стехиометрически необходимому для осуществления основной реакции.

Массовый расход ФК, задающий расход РСК и производительность технологической схемы, составляет 400-МОООкг/ч. Чаще всего печь работает при производительности 800 кг/ч. Для определения необходимого расхода РСК используется коэффициент соотношения расходов РСК (в л/ч) и ФК (в кг/ч), значение которого лежит в пределах 0,74-1,0. Однако при использовании такого способа определения расхода РСК не удается точно дозировать основной реагент-H2S04. Регламентом также определены ограничения на состав отвала по CaF2 - 4% и H2S04 - 10%. При этом средние значения концентрации в отвале как H2SO4, так и CaF2 составляют 1,5*3%. Оборотная кислота (ОК) должна расходоваться полностью по мере поступления из технологической схемы.

Основными контролируемыми параметрами теплового режима являются температуры Т0 и Тг (рис. 1). Температура отвала поддерживается на уровне 160°С, а реакционного газа - 110i-130°C. Управление тепловым режимом производится путем поддержания на заданном уровне температур Ti, Т2, Тз (рис. 1), которые стабилизируются в диапазоне 40(Н600°С.

»

<ок

А 12

реакционный г«ч_

купоросное оборотная олеум масло кислота

на очвстгу

А-11 t А-11„ А-11„

фторакгвдрвт

гупороснос оборотная

масло кислот« олеуы

JU Л> л

фчорангидрит

Рис. 2. Технологическая схема с непосредственным приготовлением РСК

Рис. 3. Технологическая схема при общем приготовлении РСК.

При решении задачи управления процессом разложения ФК были учтены следующие технологические требования:

1. Стабильность количества и состава подаваемой в печь РСК;

2. Стабильность количества подаваемого в печь ФК;

3. Поддержание соотношения СаР2 и НгБО^ на уровне, приводящем к минимальному уходу в отвал этих компонентов, не вступивших в реакцию;

4. Поддержание такого теплового режима печи разложения, при котором обеспечивается поступление необходимого количества тепла в печь;

5. Обеспечение оптимального с точки зрения степени разложения распределения тепла, отдаваемого зонами обогрева.

Для соблюдения этих требований система управления: должна выполнять две фактически независимые функции: подачу в печь рабочей смеси кислот заданного состава в заданном количестве и поддержание теплового режима печи разложения. Поэтому система разделена на две подсистемы:

• подсистему управления приготовлением и подачей в печь РСК и ФК;

• подсистему управления тепловым режимом печи. На базе оборудования отделений №1 и №2 используются различные схемы смешивания и подачи в печи компонентов РСК и ФК (рис. 3 и рис. 2).

На рис. 3 изображена технологическая схема с общим для всех печей процессом приготовления РСК в отделении №1. Компоненты РСК смешиваются в аппаратах А-8„ и сливаются самотёком в сборник А-4. Затем готовая РСК из мерников А-11„ подаётся в узел загрузки каждой печи через регулирующий пневмоклапан и ФК из бункера А-12„ с помощью тискового питателя.

На рис. 2 изображена технологическая схема с

Рис. 4. Структурная схема процесса разложения.

А 14

непосредственной подачей компонентов РСК и ФК в печь разложения.

Процесс разложения ФК может быть представлен в виде структурной схемы, приведенной на рнс. 4.

Переменные процесса и результаты их анализа сведены в табл. 1. Качество ведения процесса разложения зависит от двух факторов - качества приготовления рабочей смеси и количества и распределения подаваемого в печь тепла. Поэтому была проведена декомпозиция процесса разложения как объекта управления на две части: тепловую и дозирующую. Поэтому и система управления процессом состоит из двух частей. В настоящей работе рассматривается подсистема управления процессом приготовления рабочей смеси. Структурная схема ТОУ данной подсистемы приведена на рис. 5. Из схемы видно, что ТОУ является мяо-госвязным, следовательно, система управления также многосвязная.

Рнс. 5. Структурная схема Ш;, содержащийся в РСК, испаряется в начале процес-

обьекта управления. са разложения, а 510^ влияет лишь на расход печного газа, по-

Табл. 1

Параметр Наименование параметра Отношение к управлению Примечание

Р Массовый расход ФК. Возмущающее воздействие. Вычисляется по частоте вращения шнека и косвенно измеряется по тензов-звешиванию бункера. Задается оператором.

XV, Массовый расход ОК. Возмущающее воздействие. Измеряется расходомером, задается оператором.

ог Массовый расход печного газа. Выходная переменная. Не измеряется.

XV, Массовый расход КМ. Управляющие воздействия. Измеряются расходомерами.

Массовый расход олеума.

Т,,Т2)Тз Температуры зон обогрева Стабилизируются локальными регуляторами

41 Массовая доля СаРг в ФК. Возмущающие воздействия. Определяются по результатам химического анализа

42 Массовая доля СаССЬ в ФК.

а24 Массовая доля Н2$04 в КМ.

325 Массовая доля Н2804 в олеуме.

а21 Массовая доля Н2504 в ОК. Возмущающие воздействия. Определяются по результатам химического анализа 1 раз в сутки.

а31 Массовая доля воды в ОК.

В Массовый выход отвала. Выходная переменная Не измеряется.

Ъ! Массовая доля Сар2 в отвале. Выходные управляемые переменные. Определяются по результатам химического анализа 2 раза в смену.

ъ2 Массовая доля Н2504 в отвале.

т„ Температура отвала Измеряются термопарами

Тг Температура печного газа

этому при расчете материального баланса отвала и за1ружаемых реагентов наличие НР в РСК и ЯЮ2 в ФК может не учитываться.

Общий критерий качества управления системы, определяющий относительную стоимость потерь исходных реагентов, сформулирован в виде:

т - 1 '¿ВОХЯ^^Ьг), -1„ }

I,

5,Р+52\У2

где - интервал работы [ч]; В (О - масса отвала [кг];

Ь[, Ы - конце1гграция в отвале соответственно СаР2 и Н2Я04 [% мае.]; 5,, стоимость 1кг соответственно СаР2 и Н25 04 [руб.]; Р - расход Са1;2 [кг/час]; - расход Н2804 [кг/час]. Для оценки качества управления подсистемы приготовления рабочей смеси сформулирован критерий:

1^2

— I-

„В(0

И1 Р-г

<31, [%].

2(8, Р + 32С2)

Он определяет относительную стоимость потерь, обусловленную ошибками этой подсистемы. Целью управления является минимизация критерия

2. Математическое моделирование процесса разложения

Для составления математической модели процесса приготовления рабочей смеси использован материальный баланс отвала и загружаемых реагентов.

Математическая модель представляет собой систему уравнений:

к = 1+ 6(^-1.256^)

В =

Р(1.256я, +0.98я2) Р(1.744д, + 1.36д2) \+0Л44Ъ1 — Ь2

^2о(а24 а2о)

уг5 = .

24 л25

\У20 = РК(1.25бЧ] + 0.98ц 2) При заданных производительности Р, расходе ОК и коэффициенте избытка кислоты К по формулам

\У20 = РК(1.256ч1 +0.9&{2)

- Ww(a24 -Эго)

—Wj(a31a24 - a21 +»2ta2i)

а24 — а25

рассчитываются значения массовых расходов КМ Л'* и олеума W5, необходимых для приготовления рабочей смеси заданного количества и состава.

Проведена оценка адекватности представленной модели. Отклонение расчетных и экспериментальных значений расходов олеума составило 2,3%. КМ - 3,8%, и модель признана адекватной для целей управления.

Динамика процесса разложения оценивалась по экспериментальной весовой функции, полученной методом радиоактивной метки.

Процесс разложения, какТОУ по каналам Р-Л^ и К-Л2, описан апериодическими звеньями I порядка с одинаковыми динамическими параметрами Отличие передаточных функций ТОУ по этим каналам заключается в коэффициентах передачи. Время запаздывания определено непосредственно по экспериментальной кривой, а постоянная времеш Т0 рассчитывается по методике, основанной на том, что первая производная передаточной функции в точке р=0 равна взятому с обратным знаком моменту первого порядка нормированной весовой функции, т.е. среднему времени пребывания массы в печи.

Коэффициенты передачи К0 определены из материального баланса статического

режима работы печи, учитывая лишь реакцию (1).

Передаточная функция процесса разложения по рассматриваемым каналам запишется:

W(p) =

К„е

-îiîp

Кр =

Рис. 6. Схема системы дозирования жидкости

Кк =

где ИСаЕ

Hcasq

HlKS04

86,53р + 1 вместо К-

подставляются

= 057

Для

канала Р -»Ь|

— 0,72 -- для канала К-»Ь2

Hosq

Системы дозирования жидких реагентов: олеума, купоросного масла (КМ) и ОК принципиально ничем не отличаются друг от друга и организованы по стандартной схеме (рис. 6).

Коэффициент передачи системы дозирования жидких реагентов по каналу уставка

g(t)-> расход G(t) при штатной работе равен единице. Инерционность этого контура составляет не более 0,5 секунды.

Схема системы дозирования ФК приведена на рис. 7. Бункер 1 периодически, по мере его опорожнения, заполняется ФК. Момент на чала заполнения определяется по показаниям тензовесов 2. Из бункера 1 через систему шне ков 7,8, 9 ФК подается в полость смесителя 10 куда поступает и РСК. Частота вращения регу лирующего шнека 7 ( РШ) стабилизируете; электроприводом постоянного тока ( электро Рис. 7. Схема системы подачи ФК. двигатель 4, тахогенератор 5 и регулятор 6).

Коэффициентом передачи данной системы подачи ФК по каналу заданное значение оборотов И—»расход ФК является градуировочный коэффициент РШ. Постоянная времени объекта составляет доли секунды. Система подачи ФК вносит транспортное запаздывание, не превышающее 5 минут, поэтому динамика печи практически полностью определяется динамическими характеристиками процесса разложения и в этом случае математическая модель процесса приготовления рабочей смеси может быть представлена статическими уравнениями.

3. Синтез системы управления

Для синтеза системы была проведена декомпозиция задачи разделением ее на независимые друг от друга системы дозирования реагентов: олеума, КМ, ОК, РСК и ФК. Связь этих систем осуществляется блоком расчета уставок, обеспечивающим приготовление рабочей смеси заданного состава. Для обеспечения заданного качества работы локальных контуров стабилизации расходов реагентов введена коррекция прямых измерений расходов косвенными методами, реализуемая УВК по специальным алгоритмам. Статическая погрешность дозирования компонентов РСК и ФК не хуже 1%.

Погрешность дозирования ФК связана с нестабильностью градуировочного коэффициента РШ, а погрешность дозирования компонентов РСК объясняется значительным дрейфом показаний расходомера в течение кампании. Но „(^погрешность дозирования реагентов меняется достаточно медленно, что позволило разработать более точный метод косвенного измерения расхода.

Структурная схема системы стабилизации расхода жидкости изображена на рис.8. Она включает звенья со следующими передаточными

МП

Ц|)

м

Рис.8. Структурная схема системы стабилизации расхода жидкости.

функциями:

\Уц2 - передаточная функция локального регулятора; ^эпп - передаточная функция ЭПП;

- передаточная функция ИМ с РО;

- передаточная функция объекта по быстрым возмущениям.

- передаточная функция корректирующего регулятора, реализованного в УВК; \УМ - передаточная функция мерной емкости;

\УВ - передаточная функция устройства косвенного измерения расхода;

- передаточная функция объекта по медленным возмущениям.

и \УП равны единице (возмущение по нагрузке). Преобразователь ШЭпп и регулирующий клапан могут быть описаны апериодическими звеньями первого порядка с постоянными времени около 0,5 с. Коэффициенты передачи этих звеньев равны 1. Передаточные функции V/ гдць W 7 н XV структурной схемы на рис.8 образуют обобщенный объект управления контура стабилизации с единичной передаточной функцией. Поэтому схема рис.8 была упрощена (рис. 9).

Система стабилизации расхода ФК отличается от

Рис. 9. Структурная схема.

ад,

кг—р 5

ТГ

1

ТОУ

Рис. 10. Структура системы стабилизации расхода ФК.

12

системы стабилизации расхода жидкости отсутствием средств прямого измерения регулируемой величины и о расходе ФК судят по частоте вращения РШ, которая измеряется тахогенератором.

Структура системы стабилизации расхода ФК изображена на рис. 10.

Элементы 2 -гб представляют собой обобщенный объект управления контура стабилизации. Передаточная функция Х^о этого объекта равна единице.

Бункер 7 является интегрирующим звеном с передаточной функцией

МУБ(в)=Д. Элементы7 ^9 представляют

в

собой систему измерения выходной координаты объекта управления. Передаточная функция по возмущению объекта регулирования равна единице ( возмущение по нагрузке).

Схема рис. 10 также была упрощена до структуры (рис. 11), аналогичной рис. 9.

Как видно из схем рис. 9 и рис. 11, динамический коэффициент регулирования системы стабилизации расхода реагента будет равен единице, поэтому основным показателем качества системы выбрано время регулирования, которое не должно превышать времени пребывания реагентов в зоне интенсивного перемешивания. Ориентировочно это время составляет около 36 мин. Получение желаемого качества регулирования осложняется по ряду причин:

• необходимость измерения весьма малых приращений веса или уровня. ■ сильным зашумлением выходного сигнала измер ителей уровня и веса.

• малой разрядностью применяемого АЦП.

Для обеспечения функционирования синтезируемой системы стабилизации необходимо вычислять текущее значение расхода ФК по показаниям тензовесов с пределом измерения 10000кг. Измеряемые значения веса вводятся в УВК с помощью измерительного канала, включающего 11-разрядный АЦП, диапазон изменения входного сигнала которого СН-5В.

Средний расход ФК на интервале времени Д1 определяется по формуле:

С -в-Р=к '

Рис. 11. Структурная схема.

Д[

(3)

где к -переводной коэффициент измерительного канала; в,.!, в, - два значения кода веса, мзр; Д1 - промежуток времени между измерениями и в;.

Систематической составляющей погрешности косвенного измерения расхода можно пренебречь, поскольку се изменение за интервал Д1 мало и она уничтожается при вычислении разности в,.! и в,. Случайной составляющей является погрешность разности отсчетов ДО,= 0,-0^.

Проведенные исследования показали, что размах сигнала неустранимой высокочастотной помехи на входе АЦП достигает 7-г8мВ относительно среднего значения, а чувствительность первичного тензометрического преобразователя достаточно высока для тре-

о

ф2

К

Рис. 12. Структурная схема измерителя расхода

буемой точности измерения расхода.

Случайная погрешность отсчетов веса, достигающая 5 единиц квантования, складывается из двух составляющих: шумовой и квантования, а погрешность приращения веса является результатом косвенного измерения.

Погрешность квантования является случайной с существенными оговорками, поэтому для ее уменьшения неэффективно использование обычных методов борьбы со случайной погрешностью: усреднения значительного числа измерений или фильтрация. По этой же причине суммарная погрешность измерения равна сумме составляющих шумовой и квантования.

Для измерения расхода ФК по показаниям тензовесов применена реализованная в цифровом виде схема рис. 12. Эквивалентная передаточная функция \>/в(к) этой схемы:

^в (з) = Т-— -тт • [К г (тф2 - ТФ1 )■ *] (4)

Первый сомножитель этого выражения - передаточная функция апериодического звена второго порядка, второй - передаточная функция собственно измерителя расхода. Это звено представляет собой дифференциатор (формула (3) тоже выполняет численное дифференцирование). Входная и выходная координаты этого дифференциатора измеряются в одних и тех же единицах (% шк), поэтому коэффициент передачи звена равен единице,

т.е. Кп =---.

Проводилось сравнение предложенного способа измерения расхода со способом численного дифференцирования с фильтром первого порядка при наличии помех, близких к реальным. Время цикла в обоих случаях равнялось 1 мин., постоянные времени фильтров предлагаемого измерителя 8 и 18 мин., постоянная времени фильтра при дифференциаторе - 60 мил. Эти постоянные выбирались из условия подавления помех до уровня ±1% от стационарного значения. Реакция обоих измерителей на скачкообразное изменение расхода представлена на рис. 13. Из рисунка очевидно, что предлагаемый измеритель имеет такую же помехоустойчивость как дифференциатор при вдвое меньшей инерционности и, кроме того, значительно эффективнее подавляет высокочастотные помехи. Это явилось следствием применения в предлагаемом измерителе разностной схемы включения цифровых фильтров, уменьшающей проникновение высокочастотных составляющих в полосе загра-

39 38

1

# 36

§35 Й

а 34 33 32

—л г Ь * —

ш !!!___

50

100

150

300

200 250 время, мин дифференциатор измеритель

350

400

Рис. 13. Сравнение измерителя и дифференциатора

ждения и транспонирование частот.

Для цифровой реализации апериодического звена I- го порядка применено рекур рентное соотношение, полученное с использованием метода динамических аналогий:

ъЛ

т*

У, =

1—с Тф

+ Уые

(5)

у

Передаточная функция регулятора системы стабилизации расхода ФК (рис. 9) получена методом структурного синтеза аналитически. Желаемая передаточная функция по возмущению замкнутой САР имеет вид:

Т з

где Т3 - заданная длительность переходного процесса.

Т, определено по заданной погрешности стабилизации расхода (±1%), скачку возмущения (5%шк), времени регулирования (Збмин) и составляет 26мин.

Для упрощения выкладок и исключения дифференциальной составляющей из закона регулирования был понижен порядок передаточной функции (4). Найдя передаточную функция структурной схемы рис. 11 по возмущению и приравняв ее (6) выразили передаточную функцию регулятора.

В системе стабилизации расхода ФК необходимо использовать цифровой ПИ-регулятор, имеющий передаточную функцию

= Кк 1 +

ГнО'

(7)

где К„ =

1Ф

Т„=ТА.

Рекуррентная формула ПИ-регулятора (7), полученная методом дискретно-аналогового моделирования, имеет вид:

У1 =У,-1+Кк 1 +

2ТН )Х' Кк(1 2Ти)Х;ч

(8)

Для выяснения качества регулирования синтезированной системы стабилизации было проведено ее численное моделирование.

При моделировании квантование по уровню на входе и выходе УВК учитывалось выделением целой части проквантованного сигнала. Шумовая составляющая сигнала моделировалась с помощью равномерного псевдослучайного сигнала с амплитудой, равной действительной амплитуде шума.

Структурная схема модели приведена на рис. 14. Цифровой регулятор И моделиру-

£1 с, ,%т к у, ,%шк ЦАП

12

Лр/*яи) Г

р, .«в

£4

ФНЧ1

£3

: АЦП

ТВ

ФНЧ2-

Рис. 14. Структурная схема модели.

ется рекуррентным соотношением (8). Зависящее от текущего расхода Р, значение О, веса бункера Б, измеряемое тензовесами ТВ и преобразованное в цифровой код, находится по формуле

2048Р-' 1 50000

Поскольку бункер представлен интегрирующим звеном, второе слагаемое в формуле (9) есть приращение веса бункера за цикл управления. Константы в этом слагаемом рассчитаны по следующим исходным данным: шкала теизовесов 10 тонн, максимальное значение расхода 1200 кг/ч, цикл управления 1 мин., применяемый АЦП имеет 11 разрядов.

Сигнал О™ пропускается через два цифровых фильтра нижних частот ФНЧ1 и ФНЧ2. Фильтры моделируются рекуррентным соотношением (5) с постоянными времени Тф! и Тф2. Сумма отфильтрованных сигналов ЛСД полученных сумматором ТА (АО? = С^' — Ср) пересчитываете* в текущее расчетное значение расхода ФК по формуле

50000*0,*^ ' 20480* -Тф,)

Эта формула на структурной схеме рис. 14 представлена блоком К.

Текущее расчетное значение расхода Р,р поступает на сумматор £1, тем самым замыкается цепь обратной связи модели контура стабилизации.

Для оценки качества синтезируемой САР выбрано комбинированное входное воздействие, которое должно содержать участки как стационарного, так и переходного режимов системы. Участок стационарного режима характеризует эффективность подавления шума, участок переходного режима, вызванного скачкообразным возмущением, характеризует время регулирования САР.

Обобщенный показатель качества системы I, объединяющий показатели быстродействия и шумности САР, представлен в виде имеющего экстремумы функционала

;=Р(Тф1;Тф2;Т3) (11)

По технологическим соображениям наложено ограничение на амплитуду шумовой составляющей выходного сигнала САР на уровне ±1%. Для оценки оптимальности использован квадратичный интегральный критерий

в

I = |е2(1)Л - (12)

о

Результаты параметрической оптимизации модели САР стабилизации для разных расходов ФК приведены в табл. 2.

Табл. 2.

Расход ФК ТФ1, мин Тф2, МИН Ти, мин 1р, мин Т3, мин £, %

кг/ч %ппс

400 33,3 28 15 3,58 43 17 12 0,9

450 37,5 37 10 2,05 37 23 18 0,98

500 41,7 18 17 2,81 45 23 16 0,93

600 50,0 17 13 1,67 30 25 18 0,95

700 58,3 25 11 2,12 36 20 17 0,95

800 66,7 39 11 3,57 50 17 14 1,00

На рис. 15 приведена реакция системы на тестовое воздействие при заданном значении расхода 400 кг/ч. При других значениях расхода из табл. 2 вид реакции САР аналогичен.

зэ

37

35

а

р.

31

га

27

О 50 100 150 200 250 ЗОО 350 400

время мин

.........юмер расход -выходЦАП -----фагг расход возмущение

Рис. 15. Результат моделирования системы.

Синтез, моделирование и оптимизация системы стабилизации расхода компонента РСК проводились по аналогичным методикам. Для расхода компонента РСК, равного 50%шк получены следующие результаты: Тф1=34 мин, Т^2=Ю мин, Т5=10 мин, К к-4,4, Т„=44 мин., £=0,98% и ^=16 мин.

Результаты моделирования и оптимизации позволяют сделать вывод, что синтезированные системы стабилизации расхода при воздействии шумов и возмущений, близких к реально действующим на производстве, обеспечивают точность дозирования в стационарном режиме не хуже 1%, время регулирования не более 25 мин. и удовлетворяет заданным требованиям (1%, Збмин.).

Разработан алгоритм управления процессом приготовления рабочей смеси, предназначенный для стабилизации расхода и состава РСК на уровне, зависящем от состава ФК и ОК, а также от заданных оператором значений расходов ФК, ОК и коэффициента избытка кислоты. Алгоритм состоит из следующих частей:

• алгоритма расчета расходов компонентов рабочей смеси;

• алгоритма стабилизации расхода компонента рабочей смеси;

• алгоритма стабилизации расхода ФК;

• алгоритма стабилизации расхода компонента РСК (олеум, КМ, ОК).

Алгоритм управления выполняется УВК в режиме супервизорного и прямого цифрового управления, обеспеченного специализированным устройством Х2М8, выполняющим следующие функции:

преобразование выходного сигнала УВК, задающего частоту вращения РШ, к виду, требуемому для управления электроприводом типа ЭТ-3;

локальную стабилизацию расхода компонентов РСК с помощью встроенных ана-

____

—-л - 1 1 ■ •

-г - 1 --

Ал л- ^-

---

-

М/' л--

лотовых регуляторов.

Алгоритм расчета расходов компонентов рабочей смеси предназначен для расчета заданных значений объемных расходов ОК, КМ, олеума и РСК в зависимости от принятого способа приготовления РСК, передачи рассчитанных значений алгоритмам стабилизации материальных потоков и коррекции коэффициента избытка кислоты К в соответствие с результатами химических анализов состава отвала.

Разработан специальный алгоритм для обеспечения безударного перехода от режима заполнения к режиму нормального истечения компонента го накопительной емкости, выполняющий на текущем цикле управления установку измерителя в состояние, соответствующее текущему значению расхода и нового значения уровня или веса емкости на момент окончания режима заполнения.

Алгоритм стабилизации расхода жидкости выполняет функции:

• определение режима работы системы: автоматический или УВК;

• определение режима работы мерника: нормальный или заполнение;

• расчет и выдача на ПТО текущего расхода жидкости;

• расчет коэффициента коррекции показаний расход омера;

• расчет и выдача управляющего воздействия на ПКТ.

Алгоритм стабилизации расхода ФК выполняет фунмпш:

• определение режима работы системы: ручной или от УВК;

• определение режима работы бункера: нормальный или заполнение;

• расчет и выдача на ПТО текущего расхода ФК;

• расчет градуировочного коэффициента РШ;

• расчет коэффициента градуировочной характеристики привода РШ;

• расчет и выдача управляющего воздействия на ПКТ.

4. Система автоматизированного управления процессами дозирования реагентов н приготовления рабочей смеси

В соответствии с техническим заданием разработана промышленная АСУТП, обеспечивающая управление дозированием реагентов в печи разложения А-М^А-М* и приготовлением РСК в отделении №1. Это позволило перевести на прямое цифровое управление от УВК узлы дозирования ФК в печи и на супервизорное управление узлы дозирования кислот.

Для промышленного варианта АСУТП разработаны:

» специальное техническое обеспечение;

• информационное обеспечение;

• специальное программное обеспечение;

• организационное обеспечение.

Система состоит из управляющей частя (УВК и устройство Х2М8) и технологического оборудования, предназначенного для дозированной подачи реагентов в печи разложения и приготовления РСК. Управляющие сигналы, формируемые УВК, передаются ТОУ через устройство Х2М8. Это устройство обеспечивает также локальную стабилизацию расходов кислот.

Структурная схема автоматизированной системы управления изображена на рис. 16. Для наглядности показан один канал стабилизации расхода кислоты и один ФК (всего каналов по кислоте - 14, по ФК - 4). Посредством УСО с ТОУ снимается информация об его текущем состоянии и подсистемой ЦК передается в память УВК. Через ЦК в память передаются также вводимые с ПТО и ПОС данные химических анализов и НСИ.

Рис. 16. Структурная схема системы управления.

По изменению уровня жидкости в мернике вычисляются текущие измеренные значения расходов подаваемых в печь жидких реагентов. В соответствие с алгоритмом управления, заданным режимом работы системы и состоянием ТОУ вычисляются значения расходов КМ, олеума и РСК. Эти значения Пересчитываются в код ПКТ и сигналами постоянного тока передаются в качестве уставок на текущем такте управления устройству Х2М8.

По изменению веса бункера находится текущее измеренное значение расхода ФК. В соответствие с алгоритмом управления, заданным режимом работы системы и состоянием ТОУ вычисляется значение частоты вращения РШ, которое в соответствие с градуиро-вочной характеристикой привода РШ лересчитывается в код, выдаваемый на ПКТ УСО. С ПКТ заданное значение частоты вращения РШ в виде сигнала постоянного тока поступает на устройство Х2М8, непосредственно управляющее приводом РШ.

Общее техническое обеспечение АСУТП процессами дозирования реагентов и приготовления рабочей смеси включает в себя комплекс технических средств УВК СМ1210, ТВСО СМ1634 и устройства, реализующие функции ПОС и ПТО.

Программное обеспечение автоматизированной системы управления технологическими процессами дозирования реагентов и приготовления рабочей смеси для печи разложения ФК включает в себя общее и специальное программные обеспечения. Общее программное обеспечение составляет ОС ВС версии 3.0 совместно с задачей "СБОР" подсистемы ЦК-

Разработанное специальное программное обеспечение предназначено для решения задач ПЦУ расходом ФК, супервизорного управления расходами кислот и расчета заданных значений этих расходов для обеспечения заданного режима загрузки печи. Оно построено по модульному принципу и состоит из комплексов задач: " Автоматизированное управление загрузкой печей" и "Автоматизированное управление узлом приготовления рабочей смеси".

5. Результаты производственных испытаний АСУТП дозирования реагентов и приготовления рабочей смесм

Внедрение разработанной системы управления осуществлялось в цехе производства БФВ химического завода Ангарского электролизного химического комбината поэтапно.

На первом этапе проведены испытания подсистемы приготовления рабочей смеси кислот. Целью проведения испытаний являлась проверка адекватности математической модели, работоспособности алгоритмов, специального и общего технического и программного обеспечений АСУТП в реальных производственных условиях. В ходе испытаний были получены следующие результаты:

• математическая модель и алгоритм управления обеспечивают правильный расчет уставок контуров стабилизации и обеспечивает приготовление рабочей смеси заданного качества;

• программное и техническое обеспечение АСУ ТП правильно выполняют заданные функции при всех возможных состояниях ТОУ.

В целом испытания дали положительные результаты и пусковой комплекс АСУТП был введен в опытно-промышленную эксплуатацию в составе комплекса задач по автоматизированному приготовлению РСК.

На втором этапе внедрения были проведены испытания при совместной работе подсистем приготовления РСК и дозирования ФК.

Следующим этапом внедрения была замена в 1996 году расходомера РСК ИР-61М электромагнитным расходомером Н-М 4080К фирмы ЮШЕХ-ККОНЫЕ, имеющими класс точности 0,25 и более высокую надежность.

Результаты поэтапного внедрения АСУТП оценивались путем сравнения среднегодовых показателей работы цеха по содержанию в отвале Са[;2 и Н2504. Сводные данные результатов приведены в табл. 3.

Табл. 3

Этап Компонент отвала Содержание в отвале, % Снижение относительно состояния до внедрения, % Примечание

До внедрения Сарг 1,669 - 1994г.

Н2504 3,459 -

Внедрение I очереди СаГ2 1,346 19,4 1995г.

Н2504 3,188 7,8

Внедрение II очереди СаР, 0,729 56,3 1996г.

НгБО, 2,539 26,6

После замены расходомера РСК СаН2 1,17 30,0 1999г.

н>чо4 1,55 55,2

Согласно Акту о внедрении результатов диссертационной работы в пересчете на годовую программу снижение потерь с печными отвалами только в 1995г. составило: СаР2 - 60г, I hSO.fi (моногидрат) - 50т, СаО (известь) - 40г.

Экономический эффект от внедрения систем управления за счет снижения расхода сырья составил 72 млн. рублей в год в ценах 1995 г. Достигнутый эффект получен за счет увеличения точности дозирования РСК и ФК, а также за счет повышения качества приготовления РСК.

Заключение

Работа завершена получением новых теоретических и экспериментальных результатов, позволивших создать оригинальные математические модели процессов и систем, алгоритмы управления, разработать и внедрить АСУТП, состоящую из двух подсистем управления: загрузкой печей и приготовлением РСК.

Проведены теоретические исследования процессов загрузки печей и приготовления РСК и влияния качества ведения этих процессов на состав отвала. Проведен анализ про-

цесса разложения как ТОУ, проведена классификация переменных и выявлены их взаимосвязи. Сформирован критерий и определены цели управления процессом приготовления рабочей смеси.

Проведенные исследования позволили осуществить постановку задачи математического моделирования и разработать на основании материального баланса химических реакций статическую математическую модель процесса приготовления рабочей смеси.

Для процесса разложения как объекта управления была разработана математическая модель в виде дифференциального уравнения первого порядка с запаздыванием. Коэффициент передачи модели определен из статического режима работы печи. Динамические параметры модели найдены по экспериментальной весовой функции.

Проведен анализ процессов дозирования ФК и кислот как объектов управления, определены статические и динамические параметры передаточных функций этих процессов по управляющему и возмущающему воздействиям. Разработаны структурные схемы систем стабилизации расходов ФК и кислот. Сформулированы требования к качеству регулирования для данных систем. Разработаны оригинальный метод и алгоритм косвенного измерения расхода реагента с использованием цифровой фильтрации, имеющий лучшие помехоустойчивость и динамику. Проведен аналитический синтез систем стабилизации расхода модифицированным методом динамической компенсации. Для реализации системы выбран ПИ-закон регулирования.

Для создания цифровых систем управления расходами реагентов использован метод цифрового моделирования непрерывного аналога. Приведены к цифровому виду закон регулирования и измеритель расхода.

Для исследования синтезированных систем дозирования было проведено их численное моделирование с учетом шумовой составляющей входного сигнала и дискретизации на входе и выходе цифровой части системы. В соответствии с интегральным критерием качества регулирования проведена параметрическая оптимизация системы, позволившая обеспечить требуемые точность дозирования в стационарном режиме (менее 1%) и время регулирования (менее 25 мин).

Разработан адаптивный алгоритм управления, реализующий принципы суперви-зориого и прямого цифрового управления. Этот алгоритм позволяет по заданным значениям состава и расхода ФК и ОК рассчитывать и выдавать уставки на локальные ре1уляторы расходов олеума и КМ, а также стабилизировать на рассчитанном уровне расходы всех компонентов рабочей смеси. Алгоритм обеспечивает коррекцию коэффициента избытка Н2504 по результатам химического анализа отвала, адаптацию градуировочных коэффициентов РШ и привода.

Разработана структурная схема автоматизированной системы управления процессом дозирования реагентов и приготовления рабочей смеси и алгоритм её функционирования, послужившие основой для создания промышленного варианта системы. Разработано специальное техническое обеспечение АСУТП.

Разработана структура программного обеспечения, созданы оригинальные программы реального времени, составляющие специальное программное обеспечение разработанной АСУТП.

Разработано организационное обеспечение АСУТП, которое включает эксплуатационную документацию, описывающую функциональную, техническую, организационную структуры АСУТП и содержащую инструкции для обслуживающего персонала.

Разработанная система управления внедрена в цехе производства БФВ химического завода Ангарского электролизного химического комбината.

Основным результатом внедрения автоматизированной системы управления приготовлением рабочей смеси является снижение содержания в отвале СаГ2 на 20 -г56% и

H2S04 - на 7,8+55,2%.

Экономический эффект от внедрения системы управления за счет снижения расхода сырья составил 72 млн. рублей в год в ценах 1995 года.

Дальнейшим развитием системы управления процессом разложения ФК во вращающейся печи является разработка подсистемы управления тепловыми режимами печи с целью обеспечения подачи достаточного количества тепла и оптимального распределения этого теплового потока по зонам обогрева.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы.

1. S. N. Liventsov, A. A. Lysenolc. Desjgning of the stabilization system of fluorile conco c-

tion consumption for the décomposition furnace of the waterless fluorine hydrogen production. /Application of the conversion research results for international cooper a-tioti SIBCONVERS'99. The Third international symposium. Volume 2. May 18-28, Tomsk, Russia, 1999, p. 518-520.

2. Дядик В.Ф., Ливенцов C.H., Лысенок АЛ. и др. Разработка подсистемы приготов-

ления рабочей смеси для печи разложения флюоритового концентрата. Отчет о НИР. Томск, ТПУ; Ангарск, АЭХК, 1999г. инв. № 0/22-3971.

3. Дядик В.Ф., Ливенцов C H., Лысенок А.А. Система управления печью разложения

флюоритового концентрата дтя получения фтористого водорода: Сб. докл. Первой международной научно-теоретической и практической конференции. - Таш-Kein, 2 4 октября 1997г.

4. Лысенок А.А. Алгоритм управления тепловым режимом печи разложения флюори-

тового концентрата: Тез. докл. X международной конференции МКХТ-96. - Москва, 1996г.

5. Бейгель А.Г., Лысенок А. А., Сесь И.В. Разработка АСУТП приготовления рабочей

смеси для печи разложения флюоритового концентрата производства безводного фтороводорода: Тез. докл. I областной научно-технической конференции молодежи и студентов. - Томск, 1995г.

6. Лысенок А.А., Сесь И.В, Солоницын Д.В. Устройство управления процессом при-

готовления рабочей смеси для печи разложения флюоритового концентрата: Тез. докл. I областной научно-технической конференции молодежи и студентов. -Томск, 1995г.

7. Бейгель А.Г., Лысенок А.А. Алгоритм стабилизации расхода флюоритового кон-

центрата: Тез. докл. 11 областной научно-технической конференции молодежи и студентов. - Томск, 1996г.

8. Андреев Г.Г., Дядик В.Ф. Лысенох А.А. и др. Отчет по спецгеме инв. № 4204 ТПИ,

1990.Г.р. НХ35Ч55

9. Вараксин В.В., Лысенок А.А. Алгоритм управления тепловым режимом печи раз-

ложения флюоритового концентрата: Тез. докл. II обл. научно-технической конференции молодежи и студентов. - Томск, 1996г.

:.....- Подписано к печати 22.11.99. Формат 60*901/16. Бумага офсетная Nat.

•mill) ^ Печать RISO. Усл.печ.л. 1,28. Уч.-иэд.л. 1,16. Тираж 25 экз. Заказ 196.

ИПФТПУ, Лицензия Ж №1 от 18.07.94. —¿Г ТП У Типография ТПУ. 634034, Томск, пр.Ленина, 30.