Разработка системы цифрового управления сорбционным анализатором Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.317.7

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ СОРБЦИОННЫМ АНАЛИЗАТОРОМ

© А.А. Носенко, С.И. Половнева, В.Е. Эрдман

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, alexnosenco@rambler.ru

Работа посвящена созданию системы управления анализатором удельной поверхности на базе ПЛК-154. Анализатор предназначен для измерения удельной поверхности сорбентов. Был выполнен анализ объектов регулирования, спроектирована функциональная схема системы управления, получены математические модели САР регулирования температуры в термостате детектора и адсорбера, на основе которых в среде CODE SYS осуществлено регулирование температуры этих блоков, входящих в состав экспресс-анализатора и получены переходные процессы с соответствующими показателями качества регулирования.

Ключевые слова: сорбент; очистка; удельная поверхность; анализатор; регулирование; переходные процессы.

DEVELOPMENT OF DIGITAL CONTROL SYSTEM OF SORPTION ANALYZER

A.A. Nosenko, S.I. Polovneva, V^. Erdman

Irkutsk National Research Technical University,

83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia, alexnosenco@rambler.ru

The work is devoted to creation of management system by the specific surface analyzer on the basis of PLC-154. The analysis of regulation objects was made, the functional diagram of management system is designed, and mathematical models of temperature regulation SAR in the thermostat of the detector and an adsorber were obtained. The temperature regulation of these units which are a part of the express analyzer is realized in the environment of CODE SYS in terms of the study results, and transient phenomena with the appropriate figures of regulation merit are received also.

Keywords: sorbent, cleaning; specific surface; analyzer; regulation; transient phenomena.

ВВЕДЕНИЕ

При сорбционной очистке продукции и воды от примесей в различных пищевых технологиях большое значение имеет такой показатель качества сорбента, как удельная поверхность гранул. Чем больше этот показатель, тем выше сорбционная емкость поглотителя примесей. Удельная поверхность - это полная геометрическая поверхность частиц с учетом внутренних пор, рассчитанная на единицу массы пробы. Для катализаторов и сорбентов -это важный показатель качества. Чем больше и развитее удельная поверхность частиц, тем выше каталитическая активность или сорбци-онная способность. При автоматизированном управлении процессами очистки своевременная информация о состоянии сорбента также позволит повысить степень очистки и эффективность технологического процесса.

Для автоматического определения данного параметра предложен метод и устройство на базе аналоговых средств регулирования. С

этой целью на кафедре АПП ИМХТ ИРНИТУ первые рабочие модели прибора были реализованы на локальных регуляторах температуры «Элемер» и ручным регулированием расхода газа-носителя. В настоящей работе:

• осуществлен переход от аналоговых средств управления к цифровым с целью оптимизации метрологических и динамических параметров экспресс-анализатора удельной поверхности сорбентов для пищевых и биотехнологий;

• произведен расчет мостовой измерительной схемы детектора по теплопроводности;

• разработана внутриприборная система управления и визуализации показаний;

• для измерения расхода газа-носителя применен современный тепловой микрорасходомер и регулятор расхода газа типа РРГ-12.

В результате исследований была создана БОАРА-система, которая позволяет управлять с ПК прибором и наблюдать процесс измерения удельной поверхности. Применяемые в

заводских лабораториях низкотемпературные анализаторы малопроизводительны, имеют большое количество ручных операций, время анализа которых находится в пределах 1,5....2,5 ч.

Для получения математической модели выполнен анализ процесса термостатирования как объекта автоматического регулирования, который предполагает оценку его статических и динамических свойств по каждому из каналов от любого возможного управляющего воздействия к любому возможному регулируемому параметру, а также оценку аналогичных характеристик по каналам связи регулируемых переменных с составляющими вектора возмущений, выделение входных и выходных регулируемых параметров и выбор управляющего воздействия. Объектом автоматизации является воздушный электрический термостат адсорбера, который выполнен в виде прямоугольного блока с размерами 400х170х330 и объемом 22440 см3, с металлическим кожухом и теплоизоляцией из асбестового картона. Нагревателем является пластинчатый электронагреватель конструкции И.М. Шелехова мощностью 2 Вт.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Уравнение (уравнения) теплового баланса в динамике имеет (имеют) вид:

Оп/в+Он-Оокрср--

сИн ¿с

Оп/в~Сп/в'1~п/в'Та

0Н=0,24\%Р!Н, где Рпвв - расход паровоздушной смеси;

(1)

(2) (3)

Сп/в - удельная теплоемкость;

Та - температура в адсорбере;

Оп/в - теплота паровоздушной смеси;

Он - теплота нагревателя;

00кр.ср - потери тепла в окружающей среде.

На основании теплового баланса выделены входные и выходные параметры и выбрано управляющее воздействие.

Входные параметры - расход паровоздушной смеси, температура паровоздушной смеси.

Выходные регулируемые параметры -температура в адсорбере.

Возмущающее воздействие - температура окружающей среды.

В качестве управляющего воздействия выбран ток через нагреватель как параметр, наиболее влияющий на тепловой баланс (рис. 1).

На основании проведенного анализа технологического процесса как объекта регулирования составлена информационная матрица (табл. 1).

Для обеспечения точности измерения удельной поверхности, расход газа-носителя должен быть точно измерен и стабилизирован. Для измерения малых расходов применим только серийно выпускаемый регулятор расхода на базе теплового расходомера типа РРГ-12 (ООО «Энергомера», г. Зеленоград). В ходе работы были выбрана двухуровневая структура внутриприборной системы управления анализатором (рис. 2), разработана функциональная схема комплекса технических средств (рис. 3), выполнен монтаж и тестирование подсистем.

Рис. 1. Информационная схема объекта управления: Хвх1 - расход паровоздушной смеси; Хвх2 - температура паровоздушной смеси; Т - температура окружающей среды; Мупр - ток через нагреватель; Увых - температура адсорбера

Таблица 1

Информационная матрица

Наименование параметра Единицы измерения Оптимальное значение параметров Функция

Контр. Регул. Сигн. Архив

Температура адсорбера оС 20 + 40 + + + -

Температура детектора оС 70 + 100 + + + -

Расход воздуха 10-6 м3/мин 0 + 5 + + - -

Ток детектора мА 0 + 150 + + + -

Удельная поверхность м2/г 0,1 + 2000 + - - +

Д1

ТТР1

ПЛК

А А А А Д д д д

КБ

ТТР2

Д2

Термостат адсорбера

Щ

Термостат детектора

н:

Рис. 2. Структурная схема внутриприборной системы управления температурой

блока адсорбера и детектора: Т1, Т2 - Термостаты; Д1, Д2 - датчики температуры; ТТР1, ТТР2 - твердотельное реле; Н1 (планарный), Н2 (проволочный) - нагреватели; ПЛК - микроконтроллер

Регуляторы массового расхода и давления газа представляют собой устройства для автоматического регулирования расхода газа в системах технологического газоснабжения и конструктивно выполнены единым компактным агрегатом, объединяющим электронную и газовую части (рис. 4). В состав регулятора входят: корпус, включающий в себя сетчатый рассекатель потока, байпас, обеспечивающий деление и ламинаризацию газового потока, внутреннюю систему каналов, входной и выходной штуцеры, первичный калориметрический преобразователь, исполнительный механизм, регулирующий величину газового потока, плата управления. Принцип действия теплового расходомера основан на зависимости разности температур теплового поля до и после нагревателя от массового расхода. Регулятор РРГ-12 рассчитан на работу с нейтральными, агрессивными, токсичными, взрыво- и пожароопасными газами, имеют высокую степень герметичности. Газ поступает в регулятор че-

рез входной штуцер и разделяется на два потока. Один проходит через первичный преобразователь, другой - через обводной канал -байпас.

Первичный преобразователь теплового микрорасходомера представляет собой тонкостенную трубочку, внутри которой проходит газ, на которой расположены два теплоприем-ника - проволочные терморезисторы и нагреватель [3]. При отсутствии газа оба терморезистора имеют одинаковое сопротивление. При наличии потока газа происходит охлаждение терморезистора, стоящего до нагревателя, и дополнительный нагрев терморезистора, расположенного после нагревателя. Чем больше скорость газа, тем более длинным будет участок нагретого газа после нагревателя, тем выше будет температура второго терморезистора.

Разность сопротивлений преобразуется в цифровой сигнал, который обрабатывается в микропроцессоре (линеаризуется, термоком-

1 1 1 1

Прибор по места <5 0 <3 £

а £ 2 ^ г* Ё = о А1

АП

ВЗ

на

ИП 3£0

SCAD.ii

Ре-га л иров ание

Сигнслизаи.№1

Контроле

Рис. 3. Функциональная схема внутриприборной системы управления

Рис. 4. Регулятор расхода газа со встроенным тепловым микрорасходомером: 1 - преобразователь первичный расхода; 2 - механизм исполнительный; 3 - усилитель измерительный; 4 - байпас; 5 - корпус; 6 - штуцер; 7 - сетка-рассекатель; 8 - крышка

пенсируется) и затем сравнивается с цифровым сигналом задания расхода. По результатам вычисления пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих разности сигнала и задания расхода микропроцессор управляет электромагнитным исполнительным механизмом.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Программа цифрового управления системой термостатирования блока адсорбера выполнена в алгоритмической среде СоРевуБ ви-

зуализации и ресурсов. Определена конфигурация ПЛК в соответствии с аппаратными средствами контроллера (рис. 5).

Программа для реализации ПИД-закона производится в CodeSys на языке CFC.

Передаточная функция ПИД-регулятора

у=(и-х)х(кр+^г + рх То),

имеет вид

где Т = — ; То = Ко„, - постоянные интегриро-

к1р

вания и дифференцирования, имеющие размерность времени.

Рис. 5. Программа ПИД-регулятора в программной среде СоОеЭув

Рис. 6. Графики процесса цифрового регулирования температуры термостата адсорбера (а) и термостата детектора (б)

Также представлены полученные графики процесса цифрового регулирования температуры термостатов адсорбера при температуре 40 оС и детектора при температуре 50 оС (рис. 6).

ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований был выполнен анализ объектов регулирования, получены математические модели САР

регулирования температуры в термостате детектора и адсорбера, на основании которых в среде CODE SYS на базе ПЛК-154, осуществлено цифровое регулирование температуры этих блоков, входящих в состав экспресс-анализатора и получены переходные процессы с соответствующими показателями качества регулирования.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Пат. № 2376582, Российская Федерация. Способ определения удельной поверхности дисперсных и пористых материалов и устройство для его осуществления / С.И. Половнева, Н.П. Половнев, А.М. Захаров. 2009. Опубл. 20.12.2009

2. Контроллер программируемый логический

ПЛК-154: руководство по эксплуатации. М.: ОВЕН, 2013. 50 с.

3. Регулятор расхода газа РРГ-12. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: Эл-точприбор, 2012. 42 с.

REFERENCES

1. Polovneva S.I., Polovnev N.P., Zakharov A.M. Sposob opredeleniya udel'noi poverkhnosti dispersnykh i poristykh materialov i ustroistvo dlya ego osushches-tvleniya [Method of determination of a specific surface of dispersible and porous materials and the device for its implementation]. Patent RF no. 2376582, 2009.

2. Kontroller programmiruemyi logicheskii PLK-154. Rukovodstvo po ekspluatatsii [Programmable Logical

Controller PLC-154. Instruction manual]. Moscow: OWEN publ., 2013, 50 p.

3. Regulyator raskhoda gaza RRG-12. Tekhnich-eskoe opisanie i instruktsiya po ekspluatatsii [Gas consumption adjuster RRG-12. Technical specification and maintenance instruction]. Moscow, Eltochpribor Publ., 2012, 42 p.

Статья поступила в редакцию 3.11.2015 г. После переработки - 22.12.2015 г.

УДК 678.762.2

ПЕРСПЕКТИВА ПРИМЕНЕНИЯ ОТХОДА СВЕКЛОСАХАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА В ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ КАУЧУКОВ

Л О 11

© М.А. Провоторова1, Н.С. Никулина2, В.Н. Вережников3, С.С. Никулин1

Воронежский государственный университет инженерных технологий, 394036, Россия, г. Воронеж, проспект Революции, 19, nikulin_sergey48@mail.ru 2 Воронежский институт ГПС МЧС России,

394052, Россия, г. Воронеж, ул. Краснознаменная, 231 3Воронежский государственный университет, 394006, Россия, г. Воронеж, Университетская площадь, 1

Рассмотрен процесс выделения бутадиен-стирольного каучука СКС-30 АРК из латекса в присутствии отхода свеклосахарного производства - мелассы. Использование мелассы позволяет исключить применение минеральных солей в технологии выделения эмульсионных каучуков. Установлено, что между расходом мелассы и подкисляющего агента существует взаимосвязь. Для снижения расхода мелассы на выделение каучука из латекса необходимо повышать расход серной кислоты на подкисление коагулируемой системы. Полученные каучуки соответствуют предъявляемым требованиям. Применение мелассы в технологии получения маслонаполненного каучука позволяет утилизировать отход свеклосахарного производства и снизить загрязнение окружающей среды.

Ключевые слова: отход; меласса; латекс; выделение; расход; показатели.