Содержание


Введение                                                                                                 3

1	Описание технологического процесса и технологического оборудования	4
2	Характеристика производственного процесса как объекта автоматизации	8
3	Техническое задание на создание системы автоматизации	10
4	Разработка функциональной схемы технологического процесса и принципиальной электрической схемы	13
5	Математическое описание объекта регулирования	17
6	Выбор и расчет регулятора	19
7	Исследование устойчивости и переходных процессов	21
8	Выбор аппаратуры и средств автоматизации	25
Заключение		29

Список использованной литературы                                                          30

Спецификация на приборы и аппараты


Введение


Автоматизация — одно из направлений научно-технического прогресса, применение саморегулирующих технических средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации, существенно уменьшающих степень этого участия или трудоёмкость выполняемых операций. Требует дополнительного применения датчиков (сенсоров), устройств ввода, управляющих устройств (контроллеров), исполнительных устройств, устройств вывода, использующих электронную технику.

Автоматизация технологических процессов является решающим фактором в повышении производительности труда, улучшении качества выпускаемой продукции, экономии сырья и энергии.

Создание средств измерения, контроля и управления оборудованием и техническими процессами характеризуется переходом от решения частных, относительно простых задач автоматизации к созданию на основе микроконтроллеров и другой микроэлектронной элементной базы устройств автоматики с программным управлением, обеспечивающих автоматический режим работы как автономно, так и в составе автоматизированных систем, решающих сложные функциональные задачи контроля и управления при большом объеме перерабатываемой информации.

Процесс сгущения красного шлама на АО «Алюминий Казахстана» является энергоемким производство, что делает его очень дорогим, поэтому любое снижение энеpгозатpат ведет к большой материальной экономии. Основным способом снижения энеpгозатpат пpоцесса сгущения является стабилизация pежимных паpаметpов сгустителей. Это ведет к более качественному выходу пульпы после передела.

Более стабильная pабота аппаратуры участка позволяет стабилизиpовать в некотоpой степени и все пpоизводство в целом (из-за очень жесткой связи между пеpеделами). Стабилизация и есть основная цель создания АСУ.




1 Описание технологического процесса и технологического оборудования
Всего на узле четыре сгустителя диаметром 40 м. Выдержанная пульпа из последних мешалок ниток выщелачивания центробежными насосами подается в распределительную (питательную) коробку сгустителя диаметром 40 м. Питание регулируется изменением производительности питающего насоса прикрыванием или открыванием клапана всаса.

Для улучшения качества сливов и ускорения осаждения используют специальные добавки - синтетические флокулянты  «Алкар-600», «Сайтек», которые приготавливаются на участке №1, откуда откачиваются насосами и подаются в сгуститель.

Осветленный алюминатный раствор через сливные коробки, расположенные в верхней части сгустителей, самотеком поступает в промежуточные баки слива, а затем на всас насосов, которыми подаются в мешалку нефильтрованного раствора узла контрольной фильтрации. Сгущенный шлам также непрерывно выводится через отверстия в нижней части сгустителей в мешалки слива, из которых откачивается на узел промывки красного шлама.

Шлам одного сгустителя обеспечивает питание одной нитки промывки.

Ниже на рисунке 1 технологическая схема узла сгущения представлена виде структурной схемы



Рисунок 1 – Структурная схема узла сгущения
Эффективное функционирование узла сгущения при малом расходе энергии осуществляется при правильном подборе видов аппаратов. При производстве глинозема широкое применение нашли цепные мешалки.

Мешалка представляет собой цилиндрический бак, который установленный на железобетонном фундаменте, как показано на рисунке 2.

Перемешивающее устройство состоит из вала и прикрепленной к нему траверсы. На траверсе подвешиваются волокуши на цепях. Волокуши присоединяются к нижней части вала цепями, чтобы во время работы они не могли касаться цилиндрической части мешалки. Вал внизу заканчивается коротышом, который вращается в подпятнике и служащий роль крепления между валом и днищем. Подпятник закреплен к днищу мешалки. 



Рисунок 2 – Цепная мешалка в разрезе

          Перемешивающее устройство приводится в движение через редуктор от электродвигателя. Редуктор соединяется с валом крестовым сцеплением.

          Каждая мешалка имеет переливную трубу для исключения попадания раствора на крышку.

          Внутри мешалок выщелачивания расположен барбатер для подогрева пульпы острым паром. Для транспортировки пульпы в мешалках выщелачивания имеются вертикальные перетоки.

Цепные мешалки просты в исполнении и низки по цене, результативны по перемешиванию и многофункциональны. Но также имеются и минусы - малый объем, тихоходность, что влечет за собой трудность производства однородного раствора как по сечению, так и по высоте; не подходят для перемешивания растворов с разными плотностями.

При осаждении красного шлама бокситовой пульпы используется сгуститель  ЦН-40, изображенный на рисунке 3. Он представляет собой стальной чан диаметром 40 м с коническим днищем и крышей, поддерживаемой центральной колонной. Внутри чана вращается крестообразная ферма, приводимая в движение через вертикальный вал, механизмом вращения. Механизм вращения расположен под чаном. В сгуститель диаметром 40 м питание подается в питающий стакан четырьмя трубопроводами диаметром 159 мм, заглубленных на 500-750 мм ниже зеркала слива и имеющие на конце отбойники, расположены в разных четвертях питающего стакана.   

Питающий стакан крепится на ферме перемешивания и вращается вместе с ним. Служит для успокоения потока и равномерного распределения его по всему объему сгустителя.

Для транспортировки сгущенного шлама к центру конуса сгустителя, установлена рабочая ферма, которая представляет собой жесткую трубную металлоконструкцию и состоит из четырех  крестообразных граблин. К граблинам на тросах подвешены волокуши (спаренные рельсы). Вращение от главного вала рабочей ферме передается через плиту верхней опоры, к которой приваривают балки рабочей фермы. Верхняя опора состоит из следующих составных частей: плита, втулка эксцентриковая, подшипник шариковый – радиальный, кожух, диафрагмы затвора. Плита представляет собой жесткую сварную конструкцию, с центральным отверстием, выполненным эксцентрично относительно оси главного вала.

 Главный вал представляет собой трубопроводную конструкцию, с фланцевым соединением отдельных частей между собой. На кольцевую площадку в верхней части вала устанавливаются плиты верхней опоры.

          Нижняя опора главного вала служит для связи вала с центральным редуктором и представляет собой сварную цилиндрическую конструкцию, опирающуюся на радиально-упорный роликовый подшипник и опорное кольцо. Механизм вращения представляет собой центральный коническо– цилиндрический  редуктор, цилиндрическое зубчатое колесо, которое соединено с нижней опорой главного вала сгустителя, посредством шпоночного подвижного соединения. Вращение редуктора осуществляется двумя электродвигателями через клиноременную передачу и промежуточные редукторы типа ЦТИ. Осветленный слив отбирается через сливной порог в кольцевой желоб, расположенный внутри чана по периферии, из которого слив по коллектору поступает в бак слива.

          Отбор шлама осуществляется с двух точек. Трубопровод имеет регулирующую заслонку, расходомер. На одной из разгрузок установлен плотномер. Шлам со сгустителей диаметром 40 м откачивается в шламовые  мешалки. Регулировка отбора шлама может производиться в ручном и автоматическом режиме. Подробная характеристика сгустителей представлена

в таблице 1.

Сгуститель предназначен для разделения разбавленной пульпы на твердую фазу (красный шлам) и жидкую фазу (алюминатный раствор) с получением осветленного раствора и сгущенного шлама.

          Принцип работы сгустителя. Исходная пульпа с мешалок разбавления насосами подается по питающим трубопроводам в аппарат и  сразу поступает в нижнюю часть зоны уплотнения и сгущения. Уплотнение и сгущение осуществляется по иному принципу, чем обычное отстаивание, из-за значительной разницы плотностей пульпы, находящейся в зоне уплотнения.

          Жидкая фаза вытесняется из сгущаемой пульпы и направляется в зону осветления расположенную в верхней части сгустителя. При этом уплотнённый шлам выполняет роль фильтра, через который проходит жидкая фаза. В процессе фильтрования взвешенные частицы, содержащиеся в жидкой фазе, задерживаются в плотном слое шлама. Осветлённый раствор направляется к зоне осветления. Слив получается более чистым, чем при обычном отстаивании красного шлама. 



                                                                                    4

1 - перемешивающее устройство; 2 - вал (трубопитатель); 3 - корпус сгустителя; 4 - механизм вращения.

Рисунок 3 – Сгуститель 40 м в разрезе

Таблица 1 – Техническая характеристика сгустителя

Наименование	Размер сгустителя	Редуктор, электродвигатель
Сгуститель, диаметр 40 м	Глубина чана = 7,8м, Sос.= 1250 м2, объём 7750 м3.	Тип редуктора ЦТИ, частота вращения 3 об/ч.

         
2 Характеристика производственного процесса как объекта автоматизации
Узел сгущения является промежуточной частью производства глинозёма, поэтому его входные и выходные параметры в основном жёстко заданы смежными переделами (переделами выщелачивания, складом сульфата (узел приготовления флокулянта), промывки красного шлама и контрольной фильтрации).

Входными потоками рассматриваемого передела является поток пульпы с передела выщелачивания, поток флокулянта q_ф.

Выходными потоками являются слив и разгрузка сгустителя на промывку и контрольную фильтрацию.

Входные и выходные параметры представлены на рисунке 4



q - объемный расход пульпы в питании;  _- плотность пульпы в питании;                                q_ф   -  расход флокулянта; площадь разгрузочного сечения; _р- плотность разгрузки; _с  - мутность слива; q_р, q_сл - объемные расходы сгущенного продукта  и  слива сгустителя; _ф , М_ф – скорость и момент фермы сгустителя.

Рисунок 4 - Входные и выходные параметры передела
От эффективности узла сгущения зависит эффективность последующих этапов производства глинозема.

Устойчивое протекание процесса сгущения зависит от придерживания следующим ограничениям:

-соответствие заданной норме продуктивности передела сгущения;

-недопущение переливов и опорожнений буферных ёмкостей;

-соответствие заданной норме химического состава бокситовой пульпы;

- соответствие заданной норме режимных параметров технологических установок. Это обосновывается тем, что небольшое отклонение от заданного технологического режима влечёт за собой серьёзные нарушения работы сгустителя, такие как авария или полная остановка.

Для оценки качества химического анализа каждые четыре часа из-под конусов сгустителей берётся проба на химический контроль. Проверяется содержания твёрдого на литр слива сгустителя.

На узле сгущения предусмотрен следующий технологический регламент относительно технологии производства, представленный в таблице 2.

Таблица 2 – Технологический регламент узла красного шлама


      
 3 Техническое задание на создание системы автоматизации
 

Автоматизированная система управления технологическим процессом  (АСУ ТП) – это автоматизированная система управления для выработки  и  реализации управляющих    воздействий    на    технологический    объект  управления.

 Назначение АСУТП узла сгущения:

-сбор, первичная обработка и распределение информации, получаемой от датчиков технологических и электротехнических параметров в виде аналоговых, дискретных и  цифровых сигналов, включая прием-передачу информации от других ПТК;

-представление информации и взаимодействие пользователей с ПТК                   

(оператор-технолог, обслуживающий персонал ПТК);

-дистанционное управление приводами исполнительных механизмов  заслонок, регулирующих органов, электродвигателей и тому подобное;

 -автоматическое регулирование технологических параметров, автоматическое логическое и программное управление  технологическими узлами по заданным параметрам;

  -информационно-вычислительная функция, реализующая алгоритмы расчетных формул, накопления, усреднения, архивации информации и тому подобное;

  -самоконтроль и самодиагностика ПТК, подстройка прикладных программ и заполнение информационной базы, сбор и обработка информации по технической диагностике ПТК (инструментальная подсистема);

 -реализация алгоритмов сервисных функций.

  Создание программно-технического комплекса АСУТП узла сгущения должно способствовать:

  -обеспечению эффективного управления технологическими процессами на участке;

  -повышению качества работы технологического передела  за счет внедрения новых систем автоматизации  и модернизации существующих;

 -повышению эффективности управления работой технологического передела на основе оперативной и достоверной информации;

       -эффективному управлению параметрами автоматизируемого оборудования;

      -повышению надежности работы автоматизируемого оборудования;

       -повышению комфортности работы оперативного и обслуживающего персонала;

      -созданию базы для дальнейшего увеличения производительности передела и развития участковой системы управления.

АСУТП узла сгущения должен решить следующие задачи контроля, регистрации, сигнализации и управления:

- контроль, регистрация, сигнализация и управление расхода флокулянта в сгуститель;

- контроль, регистрация, сигнализация и управление  уровня в мешалке сгустителя;

- контроль, регистрация и сигнализация уровня в баке слива;

- контроль, регистрация, сигнализация и управление расхода красного шлама  исходящего из сгустителей;

- контроль, регистрация, сигнализация и управление плотности красных шламов разгрузки сгустителя;

- контроль, регистрация, сигнализация и управление расхода разгрузки мешалки;

- контроль, регистрация и сигнализация слива сгустителя в бак слива;

-контроль, регистрация и сигнализация тока нагрузки двигателя перемешивающего устройства.

Данные сведём в таблицу 3.

Таблица 3 – Задание на автоматизацию

4
Разработка функциональной схемы технологического процесса и принципиальной электрической схемы
Современные технологические процессы отличаются многообразием параметров подлежащих контролю и регулированию.

Электрические приборы обладают высокой чувствительностью, точностью регулирования, обеспечивают дальность связи и большую емкость каналов передачи информации.

Целью АСУТП является создание на основе серийно выпускаемых средств цифровой техники современной системы управления, обеспечивающей:

- эффективную работу объектов управления, повышение уровня безопасности и безаварийности технологических процессов;

- требуемую точность, достоверность и своевременность предоставляемой персоналу оперативной информации;

- адаптивность к возможным изменениям технологических процессов и алгоритмов управления, сокращение затрат времени на ориентацию персонала в режимной и оперативной обстановке, своевременное выявление неполадок и отклонений;

- улучшение культуры труда оперативного и обслуживающего персонала;

- автоматизацию ведения отчетной документации;

- предотвращение ошибочных действий персонала путем своевременной сигнализации и блокирования ошибочных команд управления;

- снижение затрат на эксплуатацию и ремонт оборудования.

Функциональная схема систем  автоматизации  технологических  процессов является основным техническим документом, определяющим структуру и  характер систем  автоматизации  технологических  процессов,  а  также  оснащения   их приборами  и  средствами  автоматизации. На   функциональной  схеме дано упрощенное  изображение  агрегатов,  подлежащих   автоматизации,   а   также приборов,  средств  автоматизации  и  управления, изображаемых условными обозначениями по действующим стандартам, а также линии связи между ними.

Cхема автоматизации регулирования и контроля узла сгущения предусматривает следующие системы:

-система автоматической стабилизации расхода красного шлама из конуса сгустителей (предназначена для поддержания постоянного расхода красного шлама из конуса сгустителей, задание расхода шлама определяется оператором);

-система измерения уровня осветленного раствора сгустителей;

-система измерения расхода слива по  сгустителям;

-система измерения уровня в шламовых мешалках  сгустителей;

-система измерения расхода флокулянта сгустителей (стабилизация твёрдого в сливе сгустителя);

- система измерения уровня в мешалках слива.

Разрабатываем функциональную схему автоматизации, на которой показано все технологическое оборудование, технологические связи, приборы и средства автоматизации, обозначены их установки (по месту, на щите) и позиции каждого прибора.

 В таблице 4 приведены условные обозначения элементов схемы и наименования технических средств, соответствующих каждому из этих обозначений.

Таблица 4 – Условные обозначения элементов схемы и наименования технических средств



Главная задача управления сгустителем – это наименьшее содержание твёрдой фазы в сливе и наибольшее содержание её в разгрузке.

Эффективнoсть работы сгустителя зависит от содержания твёрдой фазы в разгрузке.

Управление содержанием твёрдой фазы в разгрузке сгустителя осуществляется расходом разгрузки и основан на измерении плотности пульпы. Точность такого способа зависит от колебаний плотности жидкой и твердой фазы.

Схема автоматической стабилизации уровня осветленной зоны состоит из:

-измерение уровня осветленного раствора в сгустителе самодельным устройством (фотосопротивление) 1а, данные передаются на контроллер, при достижении нужного уровня контроллер подает сигнал на исполнительный механизм 2а;

-измерение расхода слива осветленного раствора осуществляется при помощи чувствительного элемента расходомера 12а, данные постапают на контроллер где регистрируются;

-регулирование уровня осуществляется расходом питания  в сгуститель при помощи чувствительного элемента 3а, данные поступают на контроллер;

-регулирование расхода питания осуществляется исполнительным  механизмом МЭО 100/25 4а.

Схема автоматической стабилизации режима сгущения состоит из:

-измерение плотности под конусом сгустителя плотномером 7а, сигнал поступает на преобразователь 7б, а с преобразователя на контроллер;

-регулирование плотности осуществляется расходом шлама 5а и 8а, данные с расходомеров поступают на контроллер;

-регулирование расхода шлама осуществляется исполнительным механизмом МЭО 100/25 обозначенным на схеме 6а и 9а.

Уровень красного шлама в мешалке и осветленного раствора в баке слива измеряется чувствительным элементов 10а и 11а, данные с которых передаются на контроллер, где регистрируются.

Для остальных трех сгустителей схема управления процессом аналогична.

Сигнализации подлежат все параметры, нарушение которых могут привести к аварии, несчастным случаям или серьезному нарушению технологического режима. Сигнализация предназначена для оповещения обслуживающего персонала о нарушениях технологического процесса, которые могут привести к браку выпускаемой продукции. В связи с этим следует сигнализировать об отклонениях наиболее ответственных параметров и показателей эффективности.

5 Математическое описание объекта регулирования


Для получения динамических свойств объекта была снята опытным путем кривая разгона контура регулирования плотности шламов из-под конуса сгустителя путем реакции на изменение положения регулирующего органа.

Кривая разгона необходима для расчёта системы переходного процесса:

-изменение положения регулирующего органа – изменение плотности шламов.

Ниже на рисунке 5 приведена схема проведения эксперимента



где W(s) – передаточная функция канала

Рисунок 5 - Схема проведения эксперимента

Кривая разгона (изменение положения регулирующего органа - изменение плотности шламов) показана на рисунке 6.

Это снятие ведётся в момент наиболее стабильной работы сгустителя, при относительно постоянном характере основных параметров процесса, с АРМ оператора-технолога дистанционно меняется положение регулирующего органа на 20 % или на 0,2 в относительных единицах. В результате этого плотность медленно меняет своё  значение. Шкала регулируемой величины (плотности) на графике показана в относительных единицах.



Рисунок 6 – Кривая разгона плотности

Динамические параметры кривой разгона:

Время запаздывания τ_об=0

Постоянная времени Т_об=300

Коэффициент передачи  находим по формуле

 

                                                    (1)

В итоге k_об равен

.

По виду кривая разгона является инерционным звеном, так как при ступенчатом входном воздействии стремится к установившемуся значению по экспоненте, а значит, её передаточную функцию находим по формуле

                                                 (2)

Рассчитываем W(s)

.

6 Выбор и расчет регулятора
Для обеспечения нормальной работы системы автоматического регулирования необходимо подобрать соответствующее автоматическое управляющее устройство с соответствующими параметрами.

Для наиболее ответственных контуров регулирования можно рекомендовать использование ПИД-регулятора, обеспечивающего наиболее высокое быстродействие в системе.

Однако следует учитывать, что это условие выполняется только при его оптимальных настройках (настраиваются три параметра).

С увеличением запаздывания в системе резко возрастают отрицательные фазовые сдвиги, что снижает эффект действия дифференциальной составляющей регулятора. Поэтому качество работы ПИД-регулятора для систем с большим запаздыванием становится сравнимо с качеством работы ПИ-регулятора.

ПИД-регулятор состоит соответственно из пропорционального (Кp), интегрального (Кi/s) и дифференциального (Кd*s) звена, у каждого из них свой коэффициент усиления.

После нахождения передаточной функции и выбора закона регулирования определим оптимальные настройки ПИД-регулятора. Для этого используем программу MatLab 7.0.1.

Первый шаг – это структурной схемы замкнутой системы управления при помощи встроенного пакета Simulink, используя звено Transport Delay (библиотека Continuous) и выбрав из библиотеки элементов Simulink Extras-Additional Linear ПИД-регулятор (PID Con­troller). На входе системы нужно подключить источник ступенчатого сигнала Step (библиотека Sources), на выходе блок настройки Signal Constraint (библиоте­ка Simulink Response Optimization) и индикатор Scope (библиотека Commonly Used Blocks).

Командой open pidtune_demo загружаем в рабочее пространство переменные для коэффициентов ПИД-регулятора Kd, Ki, Kp.

 Структурная схема показана на рисунке 7 .Сохраним её под названием w1.



Рисунок 7– Структурная схема управления

В настройках регулятора устанавливаем вместо чисел символиче­ские обозначения изменяемых коэффициентов Kp (окно Proportional), Ki (окно Integral) и Kd (окно Derivative). Далее в окне параметров блока Signal Constraint настраиваем зоны и устанав­ливаем значения коорди­нат границ рабочей зоны процесса. Через меню Optimization-Tuned Parameters импортируем настраиваемые па­раметры и устанавливаем их начальные значения (Initial guess)  Kp = 1, Ki = 1, Kd = 0.

Кнопкой Start в блоке Block Parameters: Signal Constraint запус­каем процесс выбора параметров, отображаемый в окне бло­ка и Optimization Progress. Интервал исследования задаем в меню Optimization-Simulation Options или окне Simulation Stop Time равное 200 с.

Требуемый вид переходного процесса регулирования получен в ходе многочисленных итераций при оптимальных значениях коэффициентов           K_p = 28,9858; K_i = 1,5698; K_d =0,0184.

Находим  передаточную функцию ПИД-регулятора по формуле

 

                                      (3)

.

Полученный в ходе оптимизации процесс регулирования показан на рисунке 8.


Рисунок 8– График процесса регулирования системы w1

7 Исследование устойчивости и переходных процессов
Качество – свойство системы удовлетворять поставленным техническим требованиям с заданной эффективностью. Количественные оценки эффективности системы называются показателями.

Методы оценки качества бывают прямые и косвенные. В свою очередь прямые и косвенные могут быть статическими и динамическими. Динамические оценки характеризуют переходной процесс, а статические – установившийся режим. Прямые оценки определяются непосредственно по переходной характеристике по каналу управления или возмущения, а сам метод вычисления называется прямым.

Косвенный метод оценки качества менее точен, поэтому выбираем прямой метод оценки, продолжая работать в MatLab со структурной схемой.

Оценку качества регулирования проводим по переходной характеристике замкнутой системы w1.

Для определения переходной характеристики убираем с входа блок Step, c выхода Scope и Signal Constraint и ставим соответственно из набора блоков Commonly Used Blocks элементы Вход (In1) и Выход (Out1), как показано на рисунке 9.



Рисунок 9 – Структурная схема замкнутой системы w1 для определения переходной характеристики

Нормированную по старшему коэффициенту при s модели сис­темы получаем в виде передаточной функции (Transfer Function) командой tf(w1).

>> tf(w1)

Transfer function from input "w1/In1" to output "w1/Out1":

   0.09662 s + 0.005233

--------------------------

s^2 + 0.09995 s + 0.005233

Переходная характеристика с прямыми оценками качества изображена на рисунке 10 . Шкала Y подобрана командой автоматически.

>> ltiview(w1)



Рисунок  10– Переходная характеристика системы w1

Перерегулирование есть отношение разности между максимальным значением переходной характеристики и её установившимся значением, выраженная в процентах. Найдём его по формуле

                              (4)

     В большинстве случаев требуется, чтобы перерегулирование не превышало 10 – 30%.

Время регулирования равно 60 с, время нарастания равно 12,3. Установившаяся ошибка вычисляется по формуле

                                                           (5)

где r(t) – величина входного воздействия.

Подставив значения получаем

.

Следовательно система является астатической.

Понятие устойчивости является важнейшей качественной оценкой динамических свойств САР. Устойчивость САР связана с характером её поведения после прекращения внешнего воздействия. Причем, если показатели точности определяют степень полезности и эффективности системы, то от устойчивости зависит работоспособность системы.

С целью упрощения анализа устойчивости систем разработан ряд специальных методов, которые получили название критерии устойчивости. Критерии устойчивости делятся на две разновидности: алгебраические и частотные. Алгебраические критерии являются аналитическими, а частотные – графоаналитическими. Критерии устойчивости позволяют также оценить влияние параметров системы на устойчивость.

Частотный критерий устойчивости Найквиста позволяет по амплитудно-фазовой частотной характеристике разомкнутой системы оценить устойчивость системы.

Для устойчивости замкнутой системы необходимо и достаточно, чтобы АФЧХ разомкнутой системы при изменении частоты от 0 до ∞ не охватывала точку с координатами (–1; j0). Если АФЧХ разомкнутой системы проходит через точку с координатами (–1; j0), то система будет на колебательной границе устойчивости.

Критерий Найквиста позволяет наглядно проследить влияние изменения параметров передаточной функции на устойчивость системы.

Для исследования устойчивости по критерию Найквиста размыкаем систему, как показано на рисунке 11.



Рисунок 11 – Структурная схема разомкнутой системы w1

Найденные коэффициенты регулятора для правильного получения годографа Найквиста вписываем в блок PID Controller. Далее, вызвав посредством меню File-Export диалоговое окно LTI Viewer Export, задаём имя модели w1 в графе Export As, а затем командой Export to WorkSpace передать данные в рабочее пространство (базу данных) WorkSpace программы MATLAB и закрыть три последних окна, не сохраняя проект.

Найдём передаточную функцию разомкнутой системы w1 при помощи команды tf(w1)

>> tf(w1)

Transfer function from input "w1/In1" to output "w1/Out1":

0.09662 s + 0.005233

--------------------

  s^2 + 0.003333 s

Далее получаем АФЧХ для оценки устойчивости при помощи команды nyquist(w1) и получаем годограф Найквиста, который показан на рисунке 12, по нему оцениваем запасы устойчивости после замыкания системы объекта регулирования с запаздыванием.

>> nyquist(w1)



Рисунок 12 – Годограф Найквиста

Система после замыкания будет устойчивой с бесконечными запасами по амплитуде (Gain Margin), с запасом по фазе – 65,1 градусов и по запаздыванию  –  10,5 секунд.


8 Выбор аппаратуры и средств автоматизации
Для измерения уровня  в мешалке шлама и баке слива сгустителя применимы гидростатические уровнемеры VEGABAR –66 с вторичным прибором VEGAMET 513 , фирмы VEGA.

 Отличительной чертой датчиков преобразователей фирмы VEGA является простота в обращении,  перенастройка датчика возможна в процессе работы, непрерывная индикация измеряемого параметра по месту при помощи дисплея, существенно облегчает работу аппаратчиков технологических смен.  Долговременная стабильность 0,1%/2 года. Минимальное загрязнение благодаря эффекту самоочищения.

Применение: измерение уровня и давления жидких веществ в резервуарах. Чувствительный элемент: керамическая измерительная ячейка CERTEC с удлинением. Диапазон измерения: -0,005  ...  60,0  МПа. Точность измерения: плюс минус 0,1 %. Рабочая температура: минус 20 плюс 60 °С. Выходной сигнал   4-20 мА. Срок службы 10 лет.

Для измерения расхода используется электромагнитный расходомером   Promag 53W. Работает на основе принципа электромагнитной индукции.

В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, в проводнике, движущемся в магнитном поле, наводится ЭДС. В магнито-индуктивном методе измерения расхода роль движущегося проводника играет поток среды. Индуцируемое напряжение, пропорциональное скорости потока, подается на усилитель через пару электродов. Объемный расход вычисляется через площадь поперечного сечения трубопровода. Магнитное поле генерируется постоянным током с переключающейся полярностью. Расходомер состоит из первичного измерительного преобразователя – катушки с электродами и электронного блока, осуществляющего преобразование сигнала напряжения с электродов катушки в унифицированный токовый сигнал 0 – 20 мА постоянного тока.

Эти расходомеры являются идеальными измерительными приборами протекающего вещества для жидкостей, пульп, пласт с определённой минимальной электропроводимостью.

Электромагнитный расходомер для измерения расхода любых жидкостей с проводимостью меньше 5 мкСм/см. Обладает высокой точностью измерений (для данной модели плюс минус  0.2% ).

К преимуществам данного расходомера можно отнести: высокую точность измерения (плюс минус 0.2%), не вызывают падения давления, не имеют движущихся или вдающихся в трубу частей, не подвергаются механическому износу, отсутствие  вторичного преобразователя, наличие систем самодиагностики, встроенный индикатор, детектор пустой трубы, компактность и низкую чувствительность к влиянию щелочной и высокотемпературной среды (от минус 20 до плюс 60⁰С). Раз в год необходимо подвергнуть осмотру.

Удобство в обслуживании:  тактильное управление (настройка без открытия корпуса), упрощенное меню для быстрой настройки на месте.

Приёмник расхода практически не требует обслуживания. Предел допустимой основной погрешности         - 0,5%. Срок службы  18 лет.

Расходомер находящийся под конусом сгустителя - кариолисовый расходомер Promass 83 M.  Promass 83 M - универсальный многопараметрический расходомер для жидкостей  и газов.

Принцип измерения базируется на контролируемом возбуждении  сил Кориолиса. Такие силы всегда присутствуют, когда одновременно имеют место поступательное и вращательное движение.

Измерительные трубы всегда приводятся в  колебание на их резонансной частоте. Эта частота автоматически подстраивается при изменении массы, а следовательно плотности колебательной системы, то есть резонансная частота есть функция плотности среды, что позволяет микропроцессору выдавать сигнал плотности.

Измерительная система состоит из трансмиттера и сенсора.

Характеристика трансмиттера:

 -жидкокристаллический дисплей;

 -настройка при помощи «виртуальных кнопок»;

-ориентированное на применение Quick Setup;

-измерение массового расхода, температуры и плотности, а также производных параметров (концентрации).

Сенсор: высокопрочный сенсор для процессов с высоким давлением, с защитным сосудом, для сред с температурой до 150˚С.

Они обладают повышенной точностью измерения плюс минус 10 %.

 Исполнительный механизм МЭО с постоянной  скоростью  предназначен  для перемещения регулирующих органов в  соответствии с коммутирующими  сигналами управляющих   устройств. Принцип   работы   механизмов    заключается в преобразовании  сигнала,  поступающего  от  регулирующих   или   управляющих устройств,  во  вращательное  перемещение  выходного  вала. Токовый  датчик устанавливается на механизмы с полным ходом выходного вала 0,25 оборотов.

Технические характеристики:

-напряжение питания - 220/380 В.,50 Гц;

-вибрация - до 30 Гц;

-диапазон температуры окружающей среды от минус  30 до плюс 50°C;

-потребляемая мощность - 260 Вт.

Для управления, сбора и хранения информации используется контроллер GE FANUC серии 90-30.

Контроллеры GE Fanuc имеют модульную структуру, позволяющую гибко подбирать конфигурацию, исходя из потребностей заказчика. Вся информация о конфигурации модуля, адресах каналов ввода-вывода, диапазонах аналоговых сигналов хранится в памяти контроллера, модуль перед его установкой не требует конфигурирования. В состав контроллера GE Fanuc 90-30 может входить свыше 100 модулей центрального процессора, ввода-вывода и коммуникаций, что позволяет решить широкий круг задач при создании АСУ ТП.

Данные в модуле процессора контроллера GE Fanuc 90-30 хранятся в так называемой Flash-памяти, что обеспечивает сохранение информации даже в случае внезапного отключения электропитания.

Для подачи резистивного сигнала от термосопротивления могут быть использованы модули RTD (Resistive Temperature Detectors).

Аналоговые модули ввода - вывода работают с напряжением 0-(+10) В, -10-(10)В, а также с токами 4-20 мА и 0-20 мА. Высокая точность АЦП (12-16 bit) позволяет получить приемлимое качество при вводе сигналов 0-5 мА - наиболее часто встречающихся на объектах бывшего СССР. Это позволяет проводит поэтапную реконструкцию систем управления: в начале вместо устаревших средств установить PLC GE Fanuc, а в дальнейшем установить современные датчики с выходным сигналом 0-20,4-20 мА. После этого необходимо лишь модифицировать программу контроллера сохранив установленные на первом этапе модули ввода. В контроллере также имеются модули ввода сигналов с термопар и термосопротивлений. Для подключения термопар имеются модули АЦП с диапазонами входных сигналов +/-25, +/-50, +/-100 мВ.

Аналоговые модули поддерживают автоматическое масштабирование отсчетов АЦП в заданные пользователем физические единицы и обратное преобразование. На уровне модуля осуществляется контроль нарушений параметров технологического процесса, а также за выходом показаний за пределы возможных значений измерения, свидетельствующим о неисправности входных цепей.

Дискретные модули вывода выпускаются как на транзисторной так и релейной базе. Транзисторные модули обеспечивают выходной ток 0,5 А при напряжении 24 В. Релейные модули способны коммутировать переменный ток 220 В с силой до 8 А.

Большинство дискретных модулей является универсальными, они могут быть отконфигурированы как модули ввода, вывода и комбинированные. Все модули ввода-вывода имеют изоляцию входных - выходных цепей от системной шины ПЛК, прочность изоляции составляет от 1500 до 2000 В. Количество входов/выходов в одном модуле может быть 4, 8, 16, 32 наиболее распространены 8 и 16 канальные.

Для обмена информацией между контроллерами и сервером используются так называемые коммуникационные модули.GE Fanuc предлагает целый ряд опций связи - от простого последовательного порта до высокоскоростного интерфейса локальных сетей. Если потребуется локальная сеть с повышенной скоростью передачи, то локальная сеть Genius позволяет связать до 32 устройств с помощью витой пары при скорости передачи до 153 кбод.

GE FANUC использует промышленные стандарты Ethernet TCP/IP для серии 90-30. Интерфейс Ethernet позволяет включать ПЛК непосредственно в локальные сети Ethernet для работы приложений и удаленного программирования в режиме ON LINE. Кроме того, данные могут быть переданы между ПЛК и РС одновременно. Доступ может быть обработан по internet.

Серия 90-30 может использоваться в приложении, имеющих от 32 до 4000 точек ввода-вывода. Для интеграции системы используют промышленные сетевые стандарты Genius Bus, World FIP, Profibus DP, Interbus-S, DeviceNet, or SDS.

Базовым средством интегрирования контроллера GE Fanuc в систему управления технологическим процессом является пакет программ Versa Pro. Модули GE Fanuc не имеют конфигурационных переключателей и перемычек, все конфигурирование контроллера выполняется при помощи Versa Pro. Это же средство используется для программирования контроллеров, диагностики их технического состояния и отладки программ.

Для программирования контроллеров GE Fanuc обычно используется язык релейно-контактной логики, широко применяемый для приложений автоматизации промышленности. Versa Pro поддерживает структурированное написание программ с использованием процедур, присвоение символьных имен входам, выходам и ячейкам памяти, комментарии к строкам программы. Если задача управления требует выполнения сложных логических операций или расчетов, возможно программирование на языках C и State Logic.

Данный язык программирования предоставляет обширные возможности. Программа представляет собой графическое поле: слева – входы, справа – выходы, посередине – блоки (триггеры, сумматоры, ПИД-регуляторы и т.д.), где описываются входные и выходные переменные и соединяются проводником или ссылками

В таблицу 5 сведена общая характеристика контроллера GE Fanuc серии 90-30.

Таблица 5 - Характеристика контроллера.

GE Fanuc 90-30	Данные
Память для программ	80 Кб
Дискретные входы/выходы	4096
Аналоговые входы	2048
Аналоговые выходы	512
РС - процессор	имеется
Часы реального времени	имеется
ПИД - регуляторы	имеется
Удаленный ввод/вывод	имеется
Интерфейс	GENIUS, PROFIBUS
Коммуникации	Ethernet, Modbus RTU
Входы с термопар	Имеется
Входы с термосопротивлений	имеется

Заключение
В данной курсовой работе рассмотрена система автоматизации сгущения красного шлама.

В ходе работы была рассмотрена функциональная схема узла сгущения красного шлама, выбрана полевая автоматика.

В качестве технической базы системы автоматизации был предложен регулирующий контроллер GE FANUC 90-30. Преимуществом такой системы автоматизации  является более точное регулирование процесса сгущения благодаря цифровой обработки информации.

Результат применения автоматизированной системы состоит в стабилизации параметров технологического процесса, за счет увеличения объема и качества обработки информации, позволяющий технологическому персоналу принимать своевременные и оптимальные решения при внештатных ситуациях.
Список использованной литературы
1        Спpавочник металлуpга по цветным металлам. Под ред. А.И.,Еpемина.– М.: Металлургия, 1970, -320 с.

2        Лайнеp А.И.,Еpемин H.И., Лайнеp Ю.А., Певзнеp. Пpоизводство глинозема. 2-е изд. - М.: Металлуpгия, 1978, -344 с.

3        Технологическая инстpукция по пpоизводству глинозема методом "Байеp-спекание". Павлодаp: 1991, -202с.

4        Каганов В.Ю., Блинов О.М., Беленький А.М. Автоматизация упpавления металлуpгическими пpоцессами. -М.: Металлуpгия, 1974, -416 с.

5        В.А. Бороденко. Практический курс теории линейных систем автоматического регулирования. – Павлодар: Издательство «Кереку», 2007. –260 с.

6        Беленький А.М., Беpдышев В.Ф., Блинов О.М., Каганов В.Ю. Автоматическое упpавление металлуpгическими пpоцессами: Учебник для вузов. 2-е изд.,пеpеpаб. и доп. -М.: Металлуpгия, 1989, -384 с.

7        Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие. Под ред. А.С. Клюева.-М.: Энергоатомиздат, 1989, -368 с.

8        Техника чтения схем автоматического управления и технологического контроля. Под ред. А.С. Клюева. -М: Энергоатомиздат,1991, -432 с.

9        Ищенко А.Д., Моня Г.М., Бенсман Л.Г., Зевин С.П., Греков В.В. Автоматизированная система управления технологическим процессом получения глинозема –М.: Сталь, 1989, -500 с.

10      Цымбал В.П. Математическое моделирование металлургических процессов. - М.: Металлургия, 1986, -314 с.

11      Волкевич Л.И., Коваль М.П. Комплексная автоматизация производства. -М.: Машиностроение, 1983. -269 с.

12      Проектирование систем автоматизации и технологических процессов, под ред. А.С. Клюева. Справочное пособие. – М.: Энергоатомиздат, 1990. –451 с.

13                Беленький А.М. Технология измерения и КИП. –М.: Энергоатомиздат, 1989. –258 с.

14      Ищенко А.Д. Статические и динамические свойства агломерационного процесса.- М.: Металлургия, 1972.- 319 с.

15      Буров А.И., Штернберг В.Л., Каневский В.Л. Автоматизация цехов цветной металлургии.- М.: Металлургия, 2002.-167 с.