Исследование и разработка системы автоматического управления процессом моноэтаноламиновой очистки синтез-газа

1. Тема: «Исследование и разработка системы автоматического управления процессом моноэтаноламиновой очистки синтез-газа при

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ВЫПУСКНАЯ
КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
МАГИСТРА
27.04.04 «Управление в технических системах»
Тема: «Исследование и разработка системы
автоматического управления процессом
моноэтаноламиновой очистки синтез-газа при
производстве аммиака»
Студент группы СУАм-23: Енчев В.В.
Научный руководитель: Федюн Р.В.

2.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
Цель
–
повышение
эффективности
процесса
моноэтаноламиновой очистки синтез-газа за счет разработки
системы автоматического управления абсорбером, что
позволит повысить качество процесса очистки синтез-газа при
уменьшении затрат ресурсов.
Объект исследования – система автоматического управления
процессом моноэтаноламиновой очистки синтез-газа.
Предмет исследования – методы анализа и синтеза системы
автоматического управления моноэтаноламиновой очисткой
синтез-газа.

3.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Проанализировать особенности процесса моноэтаноламиновой очистки синтезгаза как объекта управления, в результате чего выделить управляемые переменные,
управляющие и возмущающие воздействия.
2. Разработать математическое описание процесса моноэтаноламиновой очистки
синтез-газа по выявленным в процессе формализации управляемым переменным,
управляющим и возмущающим воздействиям.
3. Выполнить моделирование динамических процессов в объекте управлении для
исследования его характеристик с использованием разработанных математических
моделей и их структурных схем.
4. Осуществить синтез алгоритмов управления, регулирования и компенсации в
САУ процессом моноэтаноламиновой очистки синтез-газа.
5. Методами моделирования оценить показатели качества при использовании
полученных алгоритмов управления САУ процессом моноэтаноламиновой очистки
синтез-газа.
6. Провести разработку технической реализации системы автоматического
управления процессом моноэтаноламиновой очистки синтез-газа с учетом
результатов теоретического синтеза.
7. Разработать программную реализацию полученных в результате теоретического
синтеза алгоритмов управления и компенсации с использованием программного
обеспечения для применяемого в технической реализации САУ контроллера.

4. ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ

Технологическая схема объекта управления – первой стадии
процесса моноэтаноламиновой очистки синтез-газа
РЗ4
РЗ2
Очищенный
синтез-газ
РЗ1
Х
Вода
А
Раствор МЭА
НУ
Синтез-газ на очистку
Насыщенный
МЭА
РЗ3
А – абсорбер; РЗ – регулирующая задвижка;
Х – холодильник; НУ – насосная установка;
МЭА - моноэтаноламин

5. ФОРМАЛИЗАЦИЯ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

Схема материальных потоков процесса
очистки синтез-газа
Схема информационных переменных процесса
моноэтаноламиновой очистки синтез-газа
Синтез-газ
FСГ ССГ
Раствор МЭА
(абсорбент)
FМ
tМ
Вода (хладагент)
FВ
Процесс
очистки
синтез-газа
Очищенный
синтез-газ
FСГ
ССГ
FМ
CОСГ
FВ
tМ
FНМ
h
FОСГ СОСГ
Насыщенный МЭА
h
tМН
FНМ
СНМ
tВ
Управляемые переменные процесса очистки синтез-газа:
– концентрация оксида углерода (углекислого газа) в
очищенном синтез-газе СОСГ;
– температура раствора моноэтаноламина на входе в
абсорбер tМ;
– уровень насыщенного моноэтаноламина в абсорбере h.
Управляющие воздействия процесса
очистки синтез-газа:
– расход моноэтаноламина FМ;
– расход охлаждающей воды в холодильнике FВ;
– расход насыщенного моноэтаноламина FНМ.
Основные возмущающие воздействия:
– расход синтез-газа FСГ
– концентрация оксида углерода в синтез-газе ССГ;
– начальная температура раствора моноэтаноламина на входе в холодильник tМН;
– управляющее воздействие – расход раствора моноэтаноламина (раствора МЭА) FМ оказывает возмущающее
воздействие на управляемые переменные – уровень насыщенного МЭА в абсорбере h и температуру раствора МЭА
на входе в абсорбер tМ;
– управляющее воздействие – расход насыщенного МЭАFНМ оказывает возмущающее воздействие на
управляемую переменную – концентрация оксида углерода в очищенном синтез-газе СОСГ.

6. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

Структурная схема модели процесса
моноэтаноламиновой очистки синтезгаза при управлении концентрацией
оксида углерода
–
FОСГ(t)
СCГ(t)
К1
+
FCГ(t)
CОСГ(t)
1
р
СМ(t)
–
FМ(t)
Структурная схема модели процесса
моноэтаноламиновой очистки
синтез-газа при управлении
температурой раствора МЭА
К5
–
К4
+
К3
–
FМ(t)
tМН(t)
tМ(t)
1
р
К2
tВ(t)
FВ(t)
Структурная схема модели
процесса моноэтаноламиновой
очистки синтез-газа при
управлении уровнем
насыщенного МЭА в абсорбере
FМ(t)
FСГ(t)
FНМ(t)
+
К7
+
–
К6
1
р
h(t)

7.

КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ САУ
Схема концепции САУ процессом моноэтаноламиновой очистки синтез-газа
Концепция САУ температурой раствора МЭА
процесса моноэтаноламиновой очистки синтез-газа
F
tМН
iК2
ДР М
К2
1
iК3
ДT
К3
2
Концепция следящей САУ концентрацией оксида
углерода
iК1
К1
FСГ
ДР
2 iДР2
Р1
iР1
Р2
iДР3
iДР1
ДР
1
iР2
ПЧ
НУ
FН
Х
FМ
А
ДР
3
tМЗ
ЗТ
iЗТ
Р3
iР3
Р4
iДР4
iДР1
Концепция САУ уровнем насыщенного МЭА
iК4
iК5
hЗ
ЗУ
iЗУ
Р5
iР5
Р6
iДР5
iДУ
iР6
iЭП
ДР
5
К4
ДР
1
К5
ДР
2
ЭП
РЗ
FМ
FМН
iР4
iЭП
ДР
4
ЭП
РЗ
FВ
Х
tМ
ДT
1
FСГ
А
Д
У
h
А – абсорбер; Х – холодильник
ДР – датчик расхода; ДТ – датчик температуры
ДУ – датчик уровня; ЗУ – задатчик уровня
ЗТ – задатчик температуры; Р1…Р6 - регуляторы
НУ – насосная установка;
РЗ – регулирующая задвижка;
ЭП – электропривод регулирующей задвижки

8.

СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Схема одноконтурной САУ температурой в
пакете Simulink
Схема комбинированной САУ
температурой в пакете Simulink
Схема двухконтурной САУ температурой в пакете
Simulink

9.

СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Укрупненная схема
исследования систем
управления параметрами
моноэтаноламиновой
очистки синтез-газа в пакете
Simulink (на примере САУ
температурой раствора МЭА)

10.

ИССЛЕДОВАНИЕ
САУ
Результаты моделирования
следящей САУ концентрацией
при ступенчатом изменении
возмущений
1– одноконтурная САУ;
2 – двухконтурная САУ;
3 – комбинированная САУ

11.

ИССЛЕДОВАНИЕ
САУ
Результаты моделирования
САУ температурой
линейном изменении
возмущений
1– одноконтурная САУ;
2 – двухконтурная САУ;
3 – комбинированная САУ

12.

ИССЛЕДОВАНИЕ
САУ
Результаты
моделирования САУ
температурой
1– одноконтурная САУ;
2 – двухконтурная САУ;
3 – комбинированная САУ

13.

ИССЛЕДОВАНИЕ
САУ
Результаты
моделирования САУ
уровнем при
ступенчатом изменении
возмущений
1 – одноконтурная САУ;
2 – двухконтурная САУ;
3 – комбинированная САУ;
4 – двухконтурная
комбинированная САУ

14.

ИССЛЕДОВАНИЕ
САУ
Результаты
моделирования САУ
уровнем при линейном
изменении возмущений
1 – одноконтурная САУ;
2 – двухконтурная САУ;
3 – комбинированная САУ;
4 – двухконтурная
комбинированная САУ

15. ПРОЕКТИРОВАНИЕ САУ

Структурная схема технических средств САУ процессом моноэтаноламиновой
очистки синтез-газа
Верхний
уровень
АСУ ТП цеха очистки синтез-газа
Панель оператора
Нижний
уровень
Средний
уровень
Сетевой интерфейс
Программируемый логический контроллер
Аналоговые входы
ДТ
М
ДР
СГ
ДР
М
Аналоговые выходы
ДУ
Н
ДТ
НМ
ЭРЗ
ОВ
ДР
НМ
ПЧ
НУМ
ЭРЗ
НМ
ДРСГ – датчик расхода синтез-газа; ДРМ – датчик расхода раствора МЭА;
ДУН – датчик уровня насыщенного МЭА; ДРНМ – датчик расхода насыщенного МЭА;
ДТМ – датчик температуры раствора МЭА;
ДТНМ – датчик начальной температуры раствора МЭА;
ПЧНУМ – преобразователь частоты насосной установки раствора МЭА;
ЭРЗОВ – электропривод регулирующей задвижки охлаждающей воды;
ЭРКНМ – электропривод регулирующей задвижки насыщенного МЭА.

16. ПРОЕКТИРОВАНИЕ САУ

-
+U
-U
D4
Метран-276
Цепь
+U
-U
D5
ЭМИС-БАР
Цепь
+
-
D6
ЭМИС-БАР
Цепь
+
-
N
43
9
24 В (-)
44
10
NC
45
NC
46
11
10 GND
U
V
W
R
S
T
380В
2
Питание
24 В (+)
3
FG
1
4
NC
3
5
S/S
RS-485(A)
47
6
S/S
RS-485(B)
49
2
NC
48
IM2
27
AI 1C
3
50
Rotork CMQ
1
NC
28
AI 1+
4
2
29
AI 2C
30
AI 2+
AО 1+
73
31
AI 3C
AO 1-
74
11
32
AI 3+
AO 1
75
9
33
AI 4C
4
D3
Метран-276
Цепь
Цепь
L
2
5
1
2
5
6
34
AI 4+
2
35
AI 5C
36
AI 5+
7
77
12
AO 2
78
9
80
13
AO 3
81
9
AI 7C
AO 4+
82
40
AI 7+
AO 4-
83
41
AI 8C
AO 4
84
42
AI 8+
8
38
AI 6+
39
1
76
79
AI 6C
6
AO 2+
AO 2AO 3+
37
1
7
Поз.
10
AO 3-
2
Наименование
Кол.
PLC
Программируемый логический
контроллер ОВЕН ПЛК160
1
1
D1, D2
Датчик расхода ЭМИС-БАР 183
2
8
D3, D4
Датчик температуры Метран-276
2
D5
Датчик уровня ЭМИС-БАР 163
1
D6
Датчик расхода ЭМИС-БАР 183
1
Р1
Восьмиканальный блок питания
ЭМИС-БРИЗ-90
1
Vf1
Цепь
12
~220В
+
Цепь
INSTART FCI
+
-
Command
Input
220В
220В
Цепь
L
N
IM3
Rotork CMQ
13
12
~220В
D2
ЭМИС-БАР
Цепь
2
1
Аналоговые выходы
-
-
Аналоговые входы
+
1
IM1
ОВЕН ПЛК160
Выход
+
D1
ЭМИС-БАР
Цепь
PLC
P1
~220В
~220В
ЭМИС-БРИЗ-90
~
~
Цепь
+
-
Command
Input
220В
220В
Цепь
L
N
М

17. ПРОЕКТИРОВАНИЕ САУ

Программное обеспечение для контроллера ОВЕН ПЛК160 на языке CFC в
среде СоDеSys
Программное
обеспечение САУ
концентрацией оксида
углерода в очищенном
синтез-газе
Программное
обеспечение САУ
температурой
раствора МЭА на
выходе
холодильника

18. ПРОЕКТИРОВАНИЕ САУ

Программное обеспечение для контроллера ОВЕН ПЛК160 на языке CFC в
среде СоDеSys
Программное
обеспечение САУ
уровнем
насыщенного МЭА
в абсорбере
очистки
синтез-газа

19. Научная новизна

НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Предложена и обоснована структура комбинированного управления
основными параметрами процесса моноэтаноламиновой очистки
синтез-газа,
что
позволило
повысить
показатели
качества
управления по сравнению с одноконтурными и двухконтурными
системами управления.

20. Практическое значение полученных результатов

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ
РЕЗУЛЬТАТОВ
1. Разработаны модели процесса моноэтаноламиновой очистки синтез-газа и
их программная реализация, которые позволяют выполнять необходимые
исследования объекта управления, а также формализовать процесс синтеза
алгоритмов управления и компенсации САУ.
2. Выбран комплекс технических средств для реализации САУ на основе
современных промышленных контроллеров, что позволит интегрировать
систему управления в общую АСУ ТП производства аммиака.
3. Разработано программное обеспечение для применяемого в САУ
контроллера,
позволяющее
полностью
реализовать
алгоритмы управления и компенсации возмущений.
синтезированные

21. Доклад закончен. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

ДОКЛАД ЗАКОНЧЕН.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!