CC BY
10MODELING AND DEVELOPMENT OF AUTOMATION SYSTEM FOR SODIUM NITRATE
EVAPORATION PROCESS
Melnyk M.
Master Automation Hardware and Software Department National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, Ukraine
Beznosyk Yu.
Candidate of Technical Sciences (Ph. D.), Associate Professors Automation Hardware and Software Department National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, Ukraine
Bugaieva L.
Candidate of Technical Sciences (Ph. D.), Associate Professors Automation Hardware and Software Department National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, Ukraine
МОДЕЛЮВАННЯ ТА РОЗРОБЛЕННЯ СИСТЕМИ АВТОМАТИЗАЦИ ПРОЦЕСУ ВИПАРЮВАННЯ Н1ТРАТУ НАТР1Ю
Мельник М.А.
Маггстр кафедри Техн1чних та программных засоб1в автоматизацИ, Нацюнального технгчного унгверситету Украши «Кшвський полтехнгчний iнститут 1мет 1горя Скорського», Кшв, Украша
Безносик Ю.О.
Кандидат технiчных наук, доцент кафедри Технiчных та програмних засобiв автоматизацИ,
Нацюнального технiчного ymiверситету Украши «Кшвський полiтехнiчний iнститут iменi 1горя Скорського», Кшв, Украша
Бугаева Л.М.
Кандидат технiчних наук, доцент кафедри Техтчних та програмних засобiв автоматизацИ,
Нацюнального технiчного }miверситету Украши «Кшвський полiтехнiчний iнститут iменi 1горя Скорського», Кшв, Украша
Abstract
The process of evaporation of sodium nitrate is considered. The scheme of automation of the three-hull evaporation unit was developed and the basic parameters of the coreing were determined. The optimal controller is selected and the transfer function is calculated. Анотащя
Розглянуто процес випарювання нирату натрш. Розроблена схема автоматизащя трьохкорпусно! ви-парно! установки та визначено основш параметри керування. Вибрано оптимальний регулятор та розрахо-вано передавальну функцш.
Keywords: computer simulation, automation, process of evaporation of sodium nitrate, transfer function of the regulator
Ключовi слова: комп'ютерне моделювання, автоматизацш, процес випарювання нгграту натрш, пе-редавальна функщя регулятора
Вступ. У виробницта, нират натрш отриму-ють випарюванням i кристалiзацieю тсля шверсп нггриту. Випарювання як процес концентрування розчишв твердих нелетких речовин шляхом частко-вого випаровування розчинника при кишнш рщини е енергоемним i небезпечним. Система автоматиза-ци потрiбна для керування технолопчним проце-сом випарювання i класифжацп розчину на рiзних стадiях, а також для безперервного вимiрювання, контролю i регулювання технолопчних параметрiв та дiагностики стану обладнання [1]. Система автоматичного регулювання повинна забезпечити не тiльки отримання кiнцевого продукту задано! концентраций але i стабiлiзацiю параметрiв вторинно! пари при мiнiмально можливiй витрап гршчо! пари [1].
Мета керування процесом випарювання поля-гае в отриманш розчину задано! концентрацй, а також у шдтримщ матерiального i теплового ба-лансiв.
Об'ектом керування е випарна установка, на виходi з яко! отримуемо готовий продукт потрiбно! концентрацi!. Концентрация упареного розчину за-лежить ввд витрати, концентрацй' i температури вихвдного розчину, витрати i тиску гршчо! пари, тиску в випарних апаратах.
Система автоматизации передбачае контроль за концентращею розчинiв в кожному корпуа, тиску гршчо! пари, температури початкового розчину, тиску в кожному корпуа установки [1].
Аналiз технолопчноТ схеми процесу випа-рювання нiтрату натрiю. Витрату пари на випа-рювання можна значно знизити, якщо проводити процес в багатокорпуснш випарнiй установцi. Як вказувалося, принцип дп И зводиться до багатора-зового використання тепла пари, що грie, що надхо-дить в перший корпус установки, шляхом обiгрiву кожного наступного корпусу (^м першого) вто-ринним паром з попереднього корпусу [1]. Схема трикорпусно! випарно! установки iз прямотечiйним живленням корпусiв показана на рис. 1.
Недолж схеми з прямоточним живленням по-лягае в тому, що в останньому корпусi, де температура китння найнижча, випаровуеться найбшьш концентрований розчин. Одночасне зниження тем-ператури i пiдвищення концентраци розчину приз-водить до пiдвищення в'язкосп i зниження коефiцiентiв теплопередачi; тому в данш схемi коефiцiенти теплопередачi зменшуються вiд першого корпусу до останнього.
За допомогою вакуум-насоса тдтримуеться також стiйкий вакуум, так як залишковий тиск в конденсаторi може змiнюватися з коливанням тем-ператури води, що надходить в конденсатор.
Рис. 1 - Принципова схема трикорпусноI випарноIустановки iз прямотечшним живленням корпуав: А - вихiдний (початковий) розчин; Б - випарений розчин; В - вода; Г - гртча пара; Д - конденсат гртчог пари; Е - конденсат соково '1 пари; 1, 7 - збipник розчину; 2, 8 - насос; 3 - пiдiгрiвник розчину; 4, 5, 6 - ви-парний апарат; 9 - конденсатор барометричний; 10 - барометричний ящик; 11 - вакуум-насос
Необхщною умовою передачi тепла в кожному корпус повинно бути наявнють деяко! корисно! рiзницi температур, яка визначаеться рiзницею температур пари, що ^е i киплячого розчину. Разом з тим, тиск вторинно! пари в кожному попередньому
корпуа повинно бути бшьше його тиску в подаль-шому. Щ рiзницi тисшв створюються при надмiр-ному тиску в першому корпус^ або вакуумi в останньому корпус^ або ж при тому i шшому одночасно [1]. Структурна схема процесу випарювання представлена на рис. 2 [2].
Рис. 2 - Структурна схема процесу випарювання: Рпоч.р.ну - витрата початкового розчину нiтрату натрт, Тпоч.р.ну - температура початкового розчину ттрату натрiю, Qпоч.p.„y - концентрацiя початкового розчину нтрату натрiю, Ргр.пари - тиск гртчо'1 пари, Егр.пари - витрата гpiючоi пари, Рвип.ап - тиск у випарному апаpатi, Qкi„ц. - концентра^я упареного
розчину нтрату натрт.
Постановка задачi дослвдження. На основi проведеного анатзу були поставленi наступш за-дачi:
• спроектувати систему автоматизацп для задано! технолопчно! схеми та обрати основнi техш-чнi засоби автоматизаци;
• проаналiзувати основнi залежностi та видь лити вхiднi параметри, якi впливають на систему;
• розробити алгоритм розрахунку системи;
• створити програмне забезпечення для розрахунку параметрiв установки, на основi математи-чно! моделi та алгоритму розрахунку;
• проаналiзувати вплив параметрiв на систему та обрати параметр, яким необхщно керувати;
• для обраного параметру керування скласти математичну модель для П1-регулятора;
• розрахувати оптимальнi налаштування П1-регулятора та перевiрити систему на стшшсть.
Визначення параметрiв автоматизаци. Ро-зроблена схема автоматизацi! процесу отримання нiтрату натрш включае в себе 1 контур контролю i регулювання витрати, 3 контури контролю i регу-лювання температури, 4 контури показання та контролю концентраци, 4 контури показання та контролю тиску, 4 контури показання та сигналiзацi!' рiвня. Щщбрано засоби автоматизацi!' зпдно тех-шчного регламенту [2-3].
Математичне моделювання багатокорпус-ноТ випарноТ установки. Математичне моделю-вання випарних установок проводять з урахуван-ням наступних припущень [4]:
• кшькосл газiв, що не конденсуються, i конденсату, що збираеться внизу гршчо! камери, дорiвнюють нулю,
• об'еми пари i гршчо! камери рiвнi,
• пара в гршчш камерi знаходиться в сташ насичення,
• елементи грiючо! камери вважаються моделями з зосередженими параметрами,
• накопичення теплоти в стшках труб випар-но! установки не враховуються,
• витрати у навколишне середовище не вра-ховуються,
• розчин надходить в апарат пщгрггим до температури кипiння,
• щшьшсть i теплоемнiсть розчину не зале-жать вiд температури,
• розчин, що надходить в апарат, миттево i рiвномiрно перемiшуеться з наявною в апарап рiдиною,
• маса пари у паро-рвдинному просторi значно менша за масу рщини,
• винесення рщини з парою не враховуеться.
Математична модель статики процеСв, що протiкають в багатокорпуснiй випарнш установцi, представлено! на рис. 1, буде вмщати [1,4]:
• р1вняння теплового балансу:
У гршчш камер1: И^Ц;.! - Wi -¿и -Qi = 0;
У паро-рцшнному npocTopi:
• рiвняння матерiального балансу в паро-
рвдинному просторi: Si = Si-i - W{.
• рiвняння покомпонентного матерiального балансу в паро-рiдинному просторi:
Наведеш вище формули, будуть слугувати для розробки програмного забезпечення та проведення розрахункiв.
Програмний модуль для розрахунку багато-корпусноТ випарноТ установки. Обчислювальний модуль реалiзований на мовi C# в середовищi Visual Studio. Вш призначений для спрощення та автоматизаци розрахуншв параметрiв та розмiрiв випа-рного апарату. Обчислювальний модуль призначе-ний для розрахунку:
• юлькосп випарено! води по корпусам;
• концентраци розчину в рiзних корпусах;
• тиску гршчо! пари;
• пдростатично! та температурно! депресп;
• теплового балансу випарювання;
• витрати теплоти на випарювання;
• поверхнi теплопередачi випарних апарапв;
• основних розмiрiв випарного апарату.
Програмний модуль призначений для розрахунку процесу випарювання нгграту натрш в багато-корпуснiй випарнiй установщ. Головне вiкно про-грами: тема, мета, об'ект керування, вигляд готового продукту, основна шформацгя про нього, застосування, фiзичнi властивостi. На наступнш вкладцi представлено технологiчну схему отримання налево! селiтри, описано технолопчнш процес та позначення апарапв.
На рис. 3 зображена головна вкладка з роботою програми. Для початку роботи, на вкладщ «ро-зрахункова частина» необхiдно ввести даш про по-чаткову концентрацiю розчину, концентрацш розчину на виход^ тиск гршчо! пари, тиск в баромет-ричному конденсаторi та натиснути «Запуск розрахунку». Пiсля цього в частиш для введення промiжних даних з'являться данi тиску, для якого потрiбно ввести табличне значення температури, за знайденими значеннями вторинно! пари задати зна-чення тиску, по знайденим значенням тиску в се-редньому шарi кип'ятильних труб, задати температуру та теплоту випарювання та натиснути «Продо-вжити розрахунок».
Рис. 3 - BiKHO розрахунковоЧ частини програми На вкладгд «Результаты обчислень» заявляться розраховаш значения по корпусам (рис.4).
J Система г етсм зги is цн п роцесу еипаргоеання н ¡трата натр!я
Файл Зберегти Очиститиданг ПромЫст результати розрахунку Блок-схема программ Довщка Вмх1д 3di diibMd nt»opMd-i*- Tew-ojioi 4Hd схема эиа1><«умков<а час1ин<а Результату обчислень
Результати роботи програмного модулю
Параметр Корпус
1 3
Продуктпвшсть по вппарюванШ вол1 е>, кг/с 0,628 0,567 0.554
Концентрация розчишв х. % 12,67 17,24 27,00
Тиск rpiroMoï пари Рг, 104Па 39.2 26,7 14,2
Температура гр1ючоГ пари tr, "С 142,9 132,9 108,7
Температура кпшння розчину t^ 'С 136,4 112,7 72,3
Корпсна pi.îHims температур ¿stn, град 6,5 17,4 36,4
Теплове наванлаження Q. кВт 1413 1404 1337
Коефщкнт теплопередачи Вт/ы2+К 1586,89 853,43 537,4
Поверхня теплопередачи м3 83,31 83,31 83,31
Розрахункова поверхня теплопередач випарних апграт в складае: F-83,31 м2. По ДСТУ 11987-81 вибираемо випарний агарат з наступними характеристиками: номшальна поверхня теплообмшу 100 м2, даметр труб 38x2 мм, висота труб 4000 мм, диметр гриочо! камери 1000 мм, даметр сепаратора 1800 мм, даметр циркуляц!йноТ труби 600 мм, загальна висота апарату 13000 мм, маса апарату 8500 кг.
Рис. 4 - Результати обчислень
Для отримання результапв розрахунку промiжних значень кожного параметру, необхщно натиснути кнопку «Пром1жш результати розрахунку» на панелi меню. Шсля чого з'явиться форма «Результати розрахунку». Також можна зберегти результати обчислень, або повернутися до го-ловно! форми.
Розрахунок системи автоматичного ке-рування. Об'ектом керування е управлiння концен-трацieю упареного розчину. Параметром який кон-
тролюеться е вiдкриття шибера за допомогою приводу, який регулюе подачу вихвдного розчину нiтрату натрш. Bci процеси описуються диферен-цiйними рiвняннями, то об'ект е астатичним, тобто керуюча величина по зашнченню переходного про-цесу буде дорiвнювати заданому значенню. Функцiональна схема керування представлена на рис. 5 з вщповщними передавальними функцiями [4. 5].
Рис. 5 - Функцiональна схема керування
Перемщення заслонки проходить майже мит-тево, тому регулюючий орган безшерцшна ланка. Передавальна функ^ мае такий вигляд:
Ъ (р)= к е-43
Друга ланка -безiнерцiйною ланкою, часу можна знехтувати:
Ж2 (р)=к2
Виконавчий механiзм (електропривод) опи-суеться аперiодичною ланкою першого порядку i мае коефiцiент передач^ який вiдрiзняеться ввд оди-нищ, i достатньо велику постiйну часу:
W (p)=
тъ p +1
падсилювач, описуеться тому що його постшною
W (p )
Об'ект керування - концентрацiя упареного розчину е ланкою першого порядку, тому що ва процеси, якi в ньому протiкають, описуються зви-чайними диференцiйними рiвняннями першого порядку:
Т р +1
Передавальна функц1я системи автоматичного керування по каналу вхвд-вихвд виконавчого ме-ханiзму мае вигляд:
Ъ (р) + ^2 (р) + щ (р) + (р)
1 + Wi (p) + w2 (p) + W3 (p) + W4 (p)
Моделювання переходного процесу виро-бляемо iз застосуванням пакетаMATLAB ^шиНпк). Модель об'екта представлена на рис. 6.
Рис. 6 - Модель об'екта керування в MATLAB Simulink
Графж переходного процесу зображений на рис. 7.
Рис. 7 - Перехiдний процес
Заключним етапом е вибiр такого типу регуля- надшносл забезпечував би задану якiсть регулю-тора, який при мшмальнш вартостi i максимально! вання. Для нашого випадку, цiм критер1ям
вщповщае П1-регулятор [4]. Плсля визначення оп-тимальних налаштувань регуляторiв необхвдно ро-зрахувати та побудувати перехщний процес в за-мкнутiй системi керування за каналом «завдання -вихвд» при отриманих оптимальних параметрах налаштування заданих регуляторiв. Побудова переходного процесу е останнiм етапом дослщження автоматично! системи. За отриманим графшом переходного процесу можна наочно визначити основнi показники якосп процесу регулювання.
Висновки. Розроблено програмний модуль та розраховано основш параметри процесу випа-рювання у багатокорпуснш випарнiй установцi. Розроблено систему автоматизаци процесу випа-рювання нiтрату натрш для трьохкорпусно! випар-но! установки з прямотечiйним живленням корпусiв. Визначено основнi параметри керування для забезпечення мети керування процесом випа-рювання. Визначено об'ект керування та розроблено функцюнальну схему управлшня. В якостi регулятора обрано П1-регулятор, пiдiбранi опти-мальнi налаштування регулятора та визначено передавальну функцш автоматичного керування по каналу вхвд-вихвд.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ:
1. Таубман Е. И. Расчёт и моделирование выпарных установок. Москва: Химия, 1979. 216 с.
2. Бугаева Л. М., Бойко Т. В., Безносик Ю. О. Системний аналiз хiмiко-технологiчних ком-плекСв: подручник. Ки!в, 1нтерсервю, 2017. 254 с.
3. Дубовой В. М. Цдентифшащя та моделю-вання технологiчних об'ектiв i систем керування. Вшниця, ВНТУ, 2012. 308 с.
4. Мельник М. А., Безносик Ю. О., Бугаева Л. М. Розробка системи автоматизаци процесу вироб-ництва нiтрата натрш. Контроль i управлiння в складних системах (КУСС-2020). XV Мiжнародна конференцiя. Тези доповщей. Вiнниця, 8-10 жовтня 2020 року. Вшниця: ВНТУ. 2020. с. 153-155.
5. Пшеничний М. Л., Безносик Ю. О., Бугаева Л. М. Конструювання автоматизаци складних тех-нолопчних об'ектiв з урахуванням систем адаптивного керування. Контроль i управлшня в складних системах (КУСС-2020). XV Мiжнародна конферен-цiя. Тези доповвдей. Вiнниця, 8-10 жовтня 2020 року. Вшниця: ВНТУ. 2020. с. 20-22.
ADVANCED DATA PROCESSING TECHNOLOGY FOR AUTOMATIC CONTROL SYSTEMS
Kikin I.
Ph. D., head of laboratory, State Research Institute of Aviation Systems, State Scientific Center of Russian Federation,
Moscow, Russia
ПЕРСПЕКТИВНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Кикин И.С.
к.т.н., заведующий лабораторией, Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем, Государственный научный центр Российской Федерации, Москва, Россия
Abstract
A data processing technology is presented that to obtain information of a new quality on the control target state. A supporting rationale is provided for the method of autonomous estimation of the control target state coordinates, the accuracy of which does not depend on the automatic control system sensor errors. An algorithmic implementation of the method is proposed - an algorithm for retrospective control target state estimation by processing the data array obtained in the process of passive data accumulation on the observation interval of the object's normal functioning. At the final stage of the algorithm, the implemented control process is simulated with complete a priori information about the conditions for its implementation. The algorithm execution time should be negligible in relation to the observation interval duration.
Аннотация
Представлена информационная технология обработки данных для получения информации нового качества о состоянии объекта управления. Обоснован метод автономного оценивания координат состояния объекта, точность которого не зависит от ошибок датчиков системы автоматического управления. Предложена алгоритмическая реализация метода - алгоритм ретроспективного оценивания состояния объекта управления в результате обработки массива данных, полученного в процессе пассивного накопления информации на интервале наблюдения нормального функционирования объекта. На завершающем этапе алгоритма осуществляется имитация реализованного процесса управления при полной априорной информации об условиях его реализации. Временная протяженность исполнения алгоритма должна быть пренебрежимо мала по отношению к длительности интервала наблюдения.
