Файл: Курсовой проект по дисциплине Системы автоматики предприятий нефтегазовой отрасли по теме Автоматизация ректификационной колонны к2.docx

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.

1) частичная — ограничивается автоматизацией отдельных операций технологического процесса за счет использования станков с автоматическим циклом управления или станков с ЧПУ;

3) полная — высшая ступень автоматизации, при которой все функции изготовления, контроля и управления производством выполняются автоматами.

Автоматы могут работать в тяжелых, вредных и опасных для здоровья человека условиях, что полностью исключает или существенно снижает отрицательное воздействие производственного процесса на человека.

Повышение производительности труда обеспечивается за счет:

1) более полного использования календарного времени при автоматической работе оборудования;

2) повышения скорости протекания процессов, которая не ограничивается физическими возможностями человека;

3) высвобождения людей для выполнения другой, еще не автоматизированной работы.

Автоматизация технологических процессов в настоящее время является важнейшим условием ускорения технического прогресса, повышения культуры производства, роста производительности труда.

Наиболее высокая эффективность работы газа и нефтедобывающих объектов может быть достигнута при автоматическом управлении технологическими процессами в оптимальном режиме.

1.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

2. РАЗДЕЛ АВТОМАТИЗАЦИИ

2.1. Обоснование выбора новой структуры модернизируемой системы автоматизации

ЗТ – задатчик расхода;

Рис.1. Структурная схема контура процесса автоматизации ректификационной колонны К-2

В структурно-математическую схему контура процесса автоматизации автоматизации ректификационной колонны К-2

(рис.2):

Р объем фракции на входе в контура;

WАР – передаточная функция автоматического регулятора;

WИМ – передаточная функция исполнительного механизма;

WРО – передаточная функция регулирующего органа;

WТОУ – передаточная функция технологического объекта управления;

WД – передаточная функция датчика;

Р’ – объем отбеинзининой фракции на выходе

Рис.2. Структурно-математическая схема контура автоматизации ректификационной колонны К-2.

Передаточные функции исполнительного механизма, регулирующего органа и датчика нам известны. Они имеют следующий вид:

-Передаточная функция датчика: Kg = 0,4.

-Передаточная функция регулируемого органа: 10/(0.15p+1)

-Передаточная функция исполнительного механизма:

Неизвестными являются передаточные функции автоматического регулятора WАР и технологического объекта управления WТОУ.

Идентификация и объекта и оптимизация системы производится в среде Matlab Simulink.

2.2 Идентификация объекта автоматизации

В рабочую область MATLAB сначала загрузим исходные данные для составления файла данных с помощью команды:

>> load datta

В результате выполнения команды в рабочей области появились массив входных переменных u и массив выходного параметра y. Интервал дискретизации указывается дополнительно:

>> Ts=3;

Для объединения в единый файл исходных данных пользуются командой:

>> dan=iddata(y (901:1000), u (901:1000), Ts)

Вводим обозначения входных и выходных данных в структуру файла для наглядности:

>> dan.inputn = 'Мощность';

>> dan.outputn = 'Температура ';

Воспользуемся следующими командами для указания размерностей параметров файла:

>> dan.inputUnit = '%';

>> dan.outputUnit = 'гр.С';

В конечном итоге сформированный файл данных dan.m имеет следующий вид:

Domain: 'Time'

Name: ''

OutputData: [100x1 double]

y: 'Same as OutputData'

OutputName: {'Температура'}

OutputUnit: {'гр.С'}

InputData: [100x1 double]

u: 'Same as InputData'

InputName: {'Мощность '}

InputUnit: { '%' }

Period: Inf

InterSample: 'zoh'

Ts: 3

Tstart: []

SamplingInstants: [100x0 double]

TimeUnit: ''

ExperimentName: 'Exp1'

Notes: {}

UserData: []

Для графического представления данных (рис.6) воспользуемся командой

>>plot(dan)

Рис.3. Исходные данные для идентификации ТОУ.

Проведем параметрическое оценивание моделей с помощью GUI, для этого вводим команду

>> ident

В результате ее выполнения появляется диалоговое окно (рис. 4):

Рис.4 Диалоговое окно графического интерфейса

System Identification Toolbox.

Данные операции проведем в графическом интерфейсе System Identification Toolbox, который запускается из командной строки командой:

>> ident

Opening System Identification Tool ....... done.

Импортируем файл данных в среду интерфейса с помощью команды data – import

Запустим режим быстрого старта, для чего в падающем меню Operations выберем Quick Start. При выборе этого режима производится:

-удаление тренда из массива экспериментальных данных;

- формирование усеченных массивов данных с именами dande и dandv для построения моделей

Рис. 5. – Температура и давлении фракции внутри колонны

,

Рис. 6. Показатели адекватности моделей

Для анализа модели ТОУ возьмем модель n4s3 , для чего перетащим ее на иконку To Workspace, при этом модель n4s3 появится в рабочем пространстве MATLAB.

Преобразуем модель тета - формата многомерного объекта в вектор передаточных функций, связанных с выбранным входом:

>> [num,den]=th2tf(n4s3)

num =0 -0.0036 0.0052 0.0729

den = 1.0000 -1.6976 0.9643 -0.1779

>> Wz=tf(num,den,Ts)

Sample time: 3 seconds

Discrete-time transfer function.

>> Ws=d2c(wz)

Ws = 0.02761 s^2 - 0.02182 s + 0.006256

.>> step(Ws)

Рис. 7. График переходных процессов модели

Определим частотные характеристики модели (рис. 8) с помощью команды:

>> bode(Ws)

Рис. 8. Частотные характеристики модели

Запас устойчивости по амплитуде:

* Для непрерывной: 9.68 dB.

Значения запасов устойчивости можно определить также и в режиме командной строки MATLAB с помощью команд:

>> [Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(Ws)

Для определения запасов устойчивости в логарифмическом масштабе необходимо выполнить следующие операции:

>> Gmlog=20*log10(Gm)

Gmlog = 30.8182

Для построения АФХ (рис. 9) необходимо воспользоваться командой:

>> nyquist(Ws)

Рис. 9. Годограф АФХ с указанием значений запасов устойчивости

для непрерывной модели

Для того, чтобы воспользоваться этой функцией необходимо вычислить матрицы A, B, C, D с помощью команды:

Определим ранг матрицы управляемости:

>> n=rank(Mu)

n = 3

Определим матрицу наблюдаемости и ее ранг с помощью функций пакета Control System Toolbox:

>> My=obsv(A,C)

Определим ранг матрицы наблюдаемости:

>> n=rank(Mu)

n = 3

2.3 Оптимизация объекта автоматизации

2.3.1 Анализ показателей качества регулирования имеющейся системы

В ходе проведения идентификации была определена передаточная функция технологического объекта управления WТОУ , а так же проведен анализ показателей качества объекта автоматизации.

Рис. 10. Структурно-математическая схема технологического процесса без автоматического регулятора в среде Matlab Simulink.

Wдатчика =0.4, Wрабочего органа=0.3/ (0.55p+1),

Wисполнительного механизма =10/ (0.15р+1).

W - передаточная функция исполнительного механизма;

Переходная характеристика:

• Время регулирования составляет – 34.7465 с

• Время нарастания – 30.8182 с

Рис.12 Амплитудно-частотная характеристика технологического процесса

Частотная характеристика:

Запас устойчивости по амплитуде – 25.5 дБ.

Запас устойчивости по фазе – 36.4 град

Рис.13. График АФЧХ системы без регулятора

2.3.2 Нахождение параметров ПД-регулятора

Рис. 14. Структурно-математическая схема в среде Matlab Simulink с регулятором.

Рис. 15. Графический расчет начальных параметров ПД-регуляторов.

Полученные значения параметров регулятора заносим в Workspace и запускаем систему. После этого открываем NCD блок. В окне настройки оптимизируемых параметров задаем Kp, , Kd, и kg .

Рис. 17. Иллюстрация оптимизации системы

После завершения процесса на экран выводятся найденные оптимальные значения параметров:

2.3.2Анализ показателей качества регулирования оптимизированной системы и ее устойчивости

Для начала построим график переходного процесса оптимизированной системы (рис. 18).

Рис. 18. Переходная характеристика оптимизированной системы

. Далее построим амплитудно-частотную (АЧХ) и фазочастотную характеристики (ФЧХ) и выявим запасы устойчивости по амплитуде и фазе. (рис. 19)

Рис. 19. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристика

оптимизированной системы

Запас устойчивостипо амплитуде составляет 20.4 дБ, полученные данные удлетворяют заданным требованиям к показателям качества регулирования.

Так же построим амплитудно-фазовую частотную характеристику (АФЧХ) оптимизированный системы (рис. 20).

Рис. 20. Амплитудно-фазовая частотная характеристика оптимизированный системы

В заключении сравним показатели качества системы до и после оптимизации, а так же с заданными требованиями к показателям качества регулирования. Результаты сравнения приведены в таблице 1.

Таблица 1

2.4 Выбор современных технических средств автоматизации для системы АСР.

Контроллер ПЛК-73; для автоматизации локальных систем

Двухстрочный знакосинтезирующий дисплей.

Управление с лицевой панели прибора.

Входы: дискретные входы – 8, аналоговые входы – 8.

Выходы: 8, из них 4 – типа К (по умолчанию), 4 – любого типа, с возможностью установки ЦАП.

Интерфейсы: RS-485, RS-232, для расширения – 5 типов интерфейсных плат.

Поддержка протоколов: ModBus (RTU, ASCII), ОВЕН, GateWay.

Встроенные реального времени.

Корпус щитовой.

Рис.21.

В контроллере заложены достаточно мощные вычислительные ресурсы для

реализации простых систем автоматизации:

Высокопроизводительный процессор RISC архитектуры ARM7,

с частотой 50МГц компании Atmel.

Объем оперативной памяти для хранения переменных программ - 10Кбайт

Объем памяти хранения программ - 280Кбайт

Объем EEPROM для хранения Retain переменных - 448байт

Время цикла по умолчанию составляет 1мс при 50 логических операциях, при отсутствии сетевого обмена.

Текстовый монохромный ЖКИ с подсветкой - 2 строки по 16 символов,

для конфигурирования,

вывода и задания значений параметров программы, информация о ходе процесса и сигнализация.

6 кнопок управления, для управления индикацией, заданием

значений параметров.

Дополнительно:

Широкие возможности самодиагностики контроллера.

Встроенная батарея, позволяющая «пережидать» пропадание питания

выполнять программу при пропадании питания, и переводить выходные элементы в «безопасное состояние».

Встроенные часы реального времени.

Условия эксплуатации:

Закрытые взрывобезопасные помещения или шкафы электрооборудования

без агрессивных паров и газов;

Расширенный температурный рабочий диапазон окружающего воздуха от -10 до +55 °C;

Верхний предел относительной влажности воздуха

- не более 80 % при температуре не более +35 °C и

более низких температурах без конденсации влаги;

Атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа;

Степень защиты корпуса со стороны лицевой панели - IP20;

Высота над уровнем моря до 2000м.

По устойчивости к климатическим воздействиям при

эксплуатации контроллер ПЛК63/73 соответствует группе

исполнения В4 по ГОСТ 12997-84 и категорииУХЛ4 по ГОСТ 15150-69.

По устойчивости к механическим воздействиям при

эксплуатации контрол-лер ПЛК63/73 соответствует группе исполнения N2 по ГОСТ 12997-84.

По уровню излучения радиопомех (помехоэмиссии) контроллеры ПЛК63/73

соответствуют нормам, установленным для оборудования

класса Б по ГОСТ Р 51318.22 (СИСПР 22-97).

По уровню помехоустойчивости контроллеры

ПЛК73 соответствуют классу А по ГОСТ51522.

Конструктивные особенности:

Контроллеры выполнены в компактном DIN-реечном корпусе с

габаритными размерами(Ш/В/Г):157/86/58.

Расширение количества точек ввода\вывода осуществляется путем подключения модуля МР1 или

внешних модулей ввода\вывода по любому из встроенных интерфейсов.

Электрические параметры:

Переменный ток: (90-265)В, (47...63)Гц

Потребляемая мощность до 18ВА

Входы:

Все дискретные входы контроллеров данной линейки могут работать с частотой 100Гц.

Универсальные аналоговые входы для подключения

широкого спектра датчиков: термосопротивлений,

термопар, унифицированных датчиков тока, напряжения,

сопротивления, либо работать в режиме

простого дискретного входа.

Выходы:

В зависимости от контроллера имеется от 4 до 5 «свободно выбираемых»

типа выходных элементов - в каждый из таких модулей может быть

установлен как релейный модуль, так и модуль выдачи аналогового сигнала.

Интерфейсы и протоколы:

В зависимости от контроллера устанавливается до двух последовательных

портов Так же в контроллерах данной линейки поддержана возможность

работы по любому нестандартному протоколу по любому из портов, что

позволяет подключать устройства с нестандартным протоколом (электро-,

газо-, водосчетчики, считыватели штрих - кодов и т.д.).

Программирование:

Программирование контроллеров осуществляется в профессиональной,

распространенной среде CoDeSys v.2.3.x, максимально соответствующей

стандарту МЭК 61131:

Поддержка 5 языков программирования, для специалистов любой отрасли,

Мощное средство разработки и отладки комплексных проектов

автоматизации на базе контроллеров

Функции документирования проектов

Количество логических операций ограничивается только количеством

свободной памяти контроллера

Программируются контроллеры данной линейки по интерфейсу Debug

RS-232

Кабель для программирования идет в комплекте поставки

(для Debug RS-232), или используется стандартный кабель.

Отличительные особенности линейки:

Наличие средств индикации и управления непосредственно на самом контроллере

возможность кратковременного пережидания пропадания

питания, перевод выходных

элементов в безопасное состояние.

Заключение

В данной курсовой работе был рассмотрен контур автоматизации ректификационной колонны К-2 как объект автоматизации.

Для расчитываемой системы автоматического управления произведены следующие работы:

•Получена передаточная функция ТОУ.

•Построена функциональная схема процесса регулирования.

•Структурно-функциональная схема процесса регулирования САР.

•Алгоритмическая схема процесса регулирования САР.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Структурно-математическая схема контура автоматизации ректификационной колонны К-2.

Структурно-математическая схема технологического процесса без автоматического регулятора в среде Matlab Simulink.

График АФЧХ системы без регулятора

Структурно-математическая схема в среде Matlab Simulink с ПИ-регулятором.

Переходная характеристика оптимизированной системы

Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристика

оптимизированной системы

Амплитудно-фазовая частотная характеристика оптимизированный системы

Иллюстрация оптимизации системы