Исследование и разработка системы автоматического управления процессом сушки аммиачной селитры

1.

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ
27.04.04 «Управление в технических системах»
Тема: «Исследование и разработка системы
автоматического управления процессом сушки
аммиачной селитры»
Студент группы СУАм-21 Барышев В.А.
Научный руководитель Федюн Р.В.

2.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
Цель – повышение эффективности процесса сушки
аммиачной
селитры
за
счет
разработки
системы
автоматического управления параметрами сушильного
барабана, что позволит улучшить качество сушки аммиачной
селитры
при
экономии
ресурсов
и
снижении
эксплуатационных затрат.
Объект исследования – система автоматического управления
процессом сушки аммиачной селитры в сушильном барабане.
Предмет исследования – методы анализа и синтеза системы
автоматического управления процессом сушки аммиачной
селитры в сушильном барабане.

3.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Выполнить анализ особенностей процесса сушки аммиачной селитры в
сушильном барабане как объекта автоматического управления, по результатам
которого выполнить его формализацию.
2. Разработать математическую модель сушильного барабана аммиачной селитры,
с
использованием
которой
произвести
исследование
характеристик
объекта
управления, выделить основные возмущающие воздействия.
3. Выполнить синтез алгоритмов управления сушильным барабаном.
4. Произвести моделирование и выполнить оценку эффективности предложенных
алгоритмов управления сушильным барабаном.
5. Выполнить техническое проектирование системы автоматического управления
сушильным барабаном аммиачной селитры.
6. Осуществить экономическую оценку предложенных решений.
7. Разработать мероприятия по охране труда, безопасности жизнедеятельности и
гражданской обороне.

4.

ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ
Технологическая схема процесса сушки аммиачной селитры
Воздух
1 – бункер исходного (влажного) материала; 2 – питатель исходного (влажного) материала; 3 – сушильный
барабан; 4 – топка; 5 – смесительная камера; 6 – вентилятор первичного воздуха; 7 – вентилятор
вторичного воздуха; 8 – промежуточный бункер сухого материала; 9 – транспортёр сухого материала;
10 – циклон; 11 – вентилятор отработанного сушильного агента (дымосос); 12 – зубчатая передача
электропривода сушильного барабана

5.

ФОРМАЛИЗАЦИЯ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ
Схема материальных потоков сушильного барабана аммиачной селитры
FВС
jВC Влажная
селитра
tВС
Сухая селитра
Сушильный
агент
FСА
FСС
Сушильный барабан
аммиачной селитры
jCА tCA
jСС
tСС
Отработанный
сушильный агент
FОСА jОСА tОСA
Управляемые переменные:
-влажность сухой селитры на
выходе сушильной установки jСC;
- разряжение в сушильном
барабане РСБ;
Управляющие воздействия:
-расход сушильного агента на
входе в сушильный барабан FCA;
-расход отработанного
сушильного агента на выходе
сушильного барабана FОСA.
Схема информационных переменных сушильного барабана
jСА
jВC
jОСА FВС
FСС
FВ
FCA
jСC
FОСА
РБС
Возмущающие воздействия:
- расход исходной влажной селитры FВС;
- расход сухой селитры FСС;
-расход влаги, удаляемой в процессе сушки FВ;
-влажность исходной влажной селитры jВC;
-влажность сушильного агента jСА;
-влажность отработанного сушильного агента jС

6.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ
Схема модели сушильного барабана аммиачной селитры по каналу управления влажностью с
регулирующей заслонкой и исполнительным механизмом
φCА FОCА φОCА FВC φВC FСC
iИМ
αРЗ
kИМ
TИМр+1
kРЗ
TРЗр+1
k1
–
k2
+
k3
–
k4
–
FСА
1
р
φCC
Схема модели сушильного барабана аммиачной селитры по каналу управления разрежением с
исполнительным механизмом и регулирующим органом
FСА
FВ
k1
iПЧ
fЭД
kПЧ
TПЧр+1
nВ
kЭД
TЭД1TЭД2р2+TЭД2р+1
kВ
TВр+1
FОCА
+
k2
+
k3
–
1
р
РСБ

7.

КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ САУ
Вариант концепции построения САУ сушильным барабаном, реализованный на основе
многоконтурной структуры
jВС FВС
jCСЗ
РРС
РВ
ИМ
РЗ
FСА
jCС
FОСА
РСБ
ДРС
ДВ
РСБЗ
РРО
РР
ПЧ
ЭД
В
ДРО
ДР
Вариант концепции построения САУ сушильным барабаном, реализованный на основе
комбинированного принципа управления jВС FВС
jCСЗ
РВ
К1
ДРВ
К2
ДВВ
ИМ
РЗ
К3
ДРС
FСА
jCС
FОСА
РСБ
ДВ
РСБЗ
РР
ПЧ
ЭД
В
ДР

8.

СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Схема модели каскадной
двухконтурной САУ
влажностью селитры
Схема модели
комбинированной САУ
влажностью селитры

9.

ИССЛЕДОВАНИЕ САУ
Графики изменения возмущающих в САУ влажностью
Графики изменения управляющего воздействия
(FСА) и управляемой переменной (jCC) сушильного
барабана по каналу управления влажностью
1 – одноконтурная САУ; 2 – каскадная САУ; 3 – комбинированная САУ

10.

СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Схема модели
каскадной
двухконтурной
САУ
разрежением
Схема модели
комбинированной
САУ разрежением

11.

ИССЛЕДОВАНИЕ
САУ
Графики изменения
возмущающих воздействий
(FВ, FСА), управляющего
воздействия (FОСА) и
управляемой переменной
(PCБ) сушильного барабана по
каналу управления
разрежением в барабане
1 – одноконтурная САУ;
2 – каскадная САУ;
3 – комбинированная САУ

12.

СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Схема модели САУ сушильным барабаном аммиачной селитры

13.

ИССЛЕДОВАНИЕ САУ
Графики изменения возмущающих воздействий в
САУ сушильным барабаном аммиачной селитры
Графики изменения управляющих воздействий и
управляемых переменных сушильного барабана

14.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ САУ
Структурная схема аппаратной реализации САУ сушильным барабаном аммиачной селитры
3
Панель оператора
RS-485
2
ПЛК
АI
АI
АI
Датчик
влажности
селитры
Датчик
разрежения
в сушильном
барабане
Расходомер
сушильного
агента
АО
АО
Электропривод
регулирующей
заслонки
сушильного
агента
Преобразователь
частоты
вентилятора
отработанного
сушильного агента
1
jСС
РСБ
FСА
FСА
FОСА
Объект управления – сушильный барабан аммиачной селитры

15.

АА1
Конт.
PWRPWR+
R2
АА4
R3
Конт.
PWRPWR+
Выход1-1
Выход1-2
3
4
5
12
Вход1(1)
Выход1-3
13
Вход1(2)
Выход2-1(+)
Выход2-2(-)
14
Вход1(3)
15
Вход2(1)
16
Вход2(2)
17
Вход2(3)
18
Вход3(1)
19
Вход3(2)
20
Вход3(3)
21
Вход4(1)
Выход4-2(-)
Выход5-1(+)
6
7
8
9
10
11
27
Выход5-2(-)
Выход6-1(+)
Выход6-2(-)
26
25
24
Comm 1
Выход3-1(+)
Выход3-2(-)
Выход4-1(+)
22
Вход4(2)
Кол.
23
Вход4(3)
Дискр.Вход1
АA1
Программируемый
логический контроллер
ОВЕН ПЛК63
46
47
1
28
Вход5(3)
Дискр.Вход2
48
29
Вход5(2)
Дискр.Вход3
АА2
Датчик влажности
FIZEPR-SW100.10
1
30
Вход5(1)
Дискр.Вход4
49
50
31
Вход6(3)
Дискр.Вход5
51
Обозн.
АА3
Наименование
Датчик давления
Rosemount 2088
1
АА4
Датчик расхода
Rosemount 3051 SFA
АА5
Электропривод
Rotork CMQ
1
Преобразователь
частоты INNOVERT
1
АА6
АА7
АА8
Источник питания
Метран 601
1
2
R1–R3 Резистор прецизионный
100,0 ОМ±0,1%
3
Резистор 200,0 Ом±1%
2
R6,R7
~220 В
L
N
220В
220В
+
Command
Input
-
R4
~220 В
Метран-601
AА7
R5
АА6
INNOVERT
Конт
Конт
R
C
T
U
V
W
FC
FIC
~220 В
32
Вход6(2)
Дискр.Вход6
52
33
Вход6(1)
Дискр.Вход7
53
34
Вход7(3)
Вход7(2)
Дискр.Вход8
54
35
Метран-601
Comm 2
55
36
Вход7(1)
41 MP1(X)
Цепь
Разъем
42 MP1(Y)
RS-232
RJ12
37
Вход8(3)
38
Вход8(2)
Вход8(1)
40 MP1(W)
39
43 MP1(Z)
220В 16
220В 13
1
R1
АА3
Конт
44
RS-485(A)
45
RS-485(B)
220В 16
220В 13
1
17
15
Конт Цепь
Цепь
5
-U 6
+U 7
8
Принципиальная схема
системы управления
сушильным барабаном
аммиачной селитры
~220В
Конт Цепь
Сеть
1
2
Сеть
+24В
63
62
-24В
5
-U 6
+U 7
8
АА2
Конт.
AА5
Rotork CMQ
ОВЕН ПЛК63
380В
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
САУ
AА8
М

16.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ САУ
Программная реализация
САУ сушильным
барабаном аммиачной
селитры на языке CFC

17.

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
Функционально-структурная модель САУ сушильным барабаном
ГЛ
ОС1
О
ОС2
Д
Контроль и управление сушильным барабаном
Загрузка
программного
обеспечения САУ
ОС3.1 Передача показаний в
Д
контроллер
Измерение
параметров
сушильного барабана
Хранение и обработка
ОС3.2
информации о
ПК
текущем состоянии
сушильного барабана
ОС3.3
О
Визуализация
технологической
информации
ОС6.1
ПК
Формирование
управляющего
воздействия для
исполнительного
механизма
ОС6.2
ПК
Выдача
управляющего
воздействия на
исполнительный
механизм
ОС6.3
ИМ
Преобразование
электрической
энергии в
механическое
перемещение
Исполнительные
механизмы
ПК
Сравнение
информации о
состоянии
сушильного барабана
ОС5 Принятие решения по
ПК
управлению
О сушильного барабана
ОС6
Д
Управление
исполнительным
механизмом
Датчики
ИМ
ВС1
ПК
О
Диагностика
состояния
сушильного барабана
ВС2
О
Наблюдение за
работой сушильного
барабана
Показатели
Капитальные
вложения по САУ
Обмен данными о
ОС3
состоянии
сушильного барабана
ОС4
ПК
ВТ
Обеспечение надежной
работы сушильного
барабана
Промышленный
контроллер
Цена САУ
815 тыс.
руб
980 тыс.
руб
Годовые
эксплуатационные
расходы
О Оператор
Сумма
917 тыс.
руб./год.

18.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Предложена и в результате исследований обоснована структура
системы управления параметрами сушильного барабана аммиачной
селитры, что позволило повысить показатели качества управления
данным многосвязным объектом по сравнению с существующими
системами автоматизации объектов данного типа.

19.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ
РЕЗУЛЬТАТОВ
1. Разработаны структурные схемы и программная реализация моделей
сушильного барабана аммиачной селитры по влажности селитры и
разрежению в барабане, которые позволяют выполнять необходимые
исследования особенностей и характеристик рассматриваемого объекта, а
также формализовать процесс синтеза алгоритмов управления.
2. Выбран требуемый комплекс технических средств и разработана
принципиальная схема САУ сушильным барабаном аммиачной селитры.
3. Разработано программное обеспечение САУ сушильным барабаном
аммиачной селитры для выбранного комплекса технических средств и
позволяющее
полностью
реализовать
управления и компенсации возмущений.
синтезированные
алгоритмы

20.

ДОКЛАД ЗАКОНЧЕН.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!