Автоматизация процесса подготовки целлюлозы в производстве газетной бумаги на бумагоделательной машине

1. Характеристика технологического процесса

Рассматривается процесс подготовки целлюлозы в производстве газетной бумаги на бумагоделательной машине (БДМ). Рассматривается узел технологического процесса,

включающий пульсационную мельницу, смесительный бассейн СФА и СФИ целлюлозы, а также бассейн-аккумулятор. Сульфатная (СФА) целлюлоза подаётся при помощи насоса из бассейна в пульсационную мельницу. Пульсационная мельница предназначена для дороспуска целлюлозы. Роспуск лепестков, комочков, пучков волокон в пульсационной мельнице происходит без укорочения длины волокон. Далее СФА целлюлоза подаётся в бассейн, где она смешивается с сульфитной (СФИ) целлюлозой. Затем смесь подаётся в бассейн - аккумулятор. В качестве исполнительных устройств, на потоках целлюлозы и воды используются заслонки регулирующие с пневмоприводами и электропневматическими позиционерами. На всех исполнительных устройствах установлены концевые выключатели. Для насосов и мешалок бассейнов используются приводы переменного тока, 30 Квт, 380 В. Для пульсационной мельницы используется привод переменного тока с частотным преобразователем, 300 Квт, 6000В.

Данная система должна обеспечивать получение целлюлозы с качеством, требуемым для производства газетной бумаги на БДМ со скоростью полотна 1200-1300 м/мин и шириной полотна готовой бумаги 7,2 м. Параметры БДМ:

§  скорость - 1200-1300 м/мин ;

§  ширина полотна готовой бумаги - 7,2 м.

Исполнительные устройства :

§  на потоках целлюлозы и воды - заслонки, регулирующие с пневмоприводами и электропневматическими позиционерами;

на всех исполнительных устройствах установлены концевые выключатели. Привода: § насосов и мешалок бассейнов целлюлозы - переменного тока , 30 квт, 380 в; § пульсационной мельницы - переменного тока с частотным преобразователем, 300 квт, 6000 в.

2. Основные решения по автоматизации

.1 Функции АСУТП

Функциональная схема (рис.1) автоматизации выполнена в соответствии с ГОСТ 21.404-85. ГОСТ предусматривает построение графических и буквенных условных обозначений по функциональным признакам, выполняемым техническими средствами.

Назначение систем автоматизации:

FIR-1          индикация и регистрация расхода СФА целлюлозы в трубопроводе

PIR-2          индикация и регистрация давления в трубопроводе СФА целлюлозы

QIR-3                   индикация и регистрация концентрации СФИ целлюлозы в трубопроводе

FFYRC-4    индикация, регистрация и управление концентрацией СФА целлюлозы в смесительном бассейн

FIR-5          индикация и регистрация расхода СФИ целлюлозы в трубопроводе

QIRC-6       индикация, регистрация и управление концентрацией СФА целлюлозы в трубопроводе

QIR-7                   индикация и регистрация концентрации целлюлозы в трубопроводе

QIRC-8       индикация, регистрация и управление концентрацией целлюлозы в трубопроводе после бассейна аккумулятора

LIARC-9     индикация, регистрация, сигнализация предельных значений и управление уровнем целлюлозы в смесительном бассейне

LS-9-1                  блокировка задвижки на потоке СФИ целлюлозы при достижении предельного значения уровня целлюлозы в смесительном бассейне

LS-9-2                  блокировка приводов мешалки и насоса при достижении предельного значения уровня целлюлозы в смесительном бассейне

LIAR-10     индикация, регистрация, сигнализация предельных значений уровня целлюлозы в бассейне аккумуляторе

LS-10-1       блокировка приводов мешалок и насосов при достижении предельного значения уровня целлюлозы в бассейне-аккумуляторе

HSA-11       дистанционное управление приводами сигнализация режимов работы («включены- выключены»)

HSA-12       дистанционное управление задвижками и сигнализация предельных положений («открыты- закрыты»)

2.2 Техническая структура АСУТП

Регулирование параметров процесса осуществляет программируемый контроллер серии SIMATIC S7-300 (Siemens). Этот контроллер обеспечивает решение задач нижних уровней управления в системах комплексной автоматизации - от управления отдельными элементами и устройствами технологического оборудования до управления производственными участками и линиями.

По функциональным признакам контроллер можно разделить наследующие составляющие:

1.        Центральный процессор, предназначенный для выполнения команд (инструкций) управляющей программой и обработки данных размещенных в памяти.

2.       Память контроллера с жестким распределением областей для размещения различных типов данных.

.        Процессоры, обеспечивающие обмен информацией между модулями ввода/вывода и соответствующими областями памяти.

.        Процессоры связи, предназначенные для обслуживания каналов контроллера с программами, с ведущей ЭВМ, с другими контроллерами или локальными вычислительными системами, информация, принятая по каналам связи, размещаются непосредственно в памяти.

.        Модули ввода, обеспечивающие прием и первичное преобразование информации от датчиков объекта управления.

.        Модули вывода, предназначенные для выдачи управляющих сигналов на исполнительные устройства объектов управления.

 Для регистрации параметров технологических процессов (t,p и т.д.) и аварийных сообщений используется принтер. Вывод на печать параметров осуществляется во времени и по запросу оператора. На месте оператора может использоваться РС, позволяющий осуществлять:

1 просмотр информации

2 просмотр состояния оборудования

3 прием и подтверждение сигналов аварийных сообщений

4 архивирование информации

5 распечатку протоколов

6 вывод графиков

Программирование контроллера осуществляется с помощью инструментального программного пакета STEP7 для Windows 98/NT/ 2000. Редактор программ STEP7 содержит языки программирования по стандарту IEC 61131-3: FBD, LD, IL или дополнительно языки программирования высокого уровня.

Конфигурация контроллера SIMATIC S7-300

CPU 312

- рабочая память 16 Кбайт;

-        время выполнения операции:

логических 0,2 мкс

с фиксированной точкой 1 мкс

с плавающей точкой 6 мкс.

Модуль памяти Flash-Eprom 64 Кбайт

Модуль ввода-вывода дискретных сигналов SM 323 1Ч8DI (24B); 1Ч8DO (24B/0,5A)

Модуль ввода аналоговых сигналов SM 331 1Ч8AI (4 -20 мА)

Модуль вывода аналоговых сигналов SM 332 1Ч4AO (4 - 20 мА)

Модуль расширения IM 365 с соединительным кабелем 1 м.

Блок питания PS 307: питание 220В, выход 24В/2А.

Многофункциональная панель оператора SIMATIC MP 240 B - 10 Keys

- процессор Risc 32, разрешение 66 МГц;

-        операционная система Windows CЕ;

-        дисплей 10,4” TFT.

Клавиатура мембранная

- система клавиш 38;

-        функциональных клавиш 36.

Техническая структура (рис. 2) для управления технологическим процессом состоит из микропроцессорного программируемого контроллера SIMATIC и рабочей станции оператора (АРМ), которая включает в себя IBM совместимый PC, дисплей, клавиатуру, ручной манипулятор (мышь), принтер.

2.3 Разработка технического обеспечения

В качестве измерителя концентрации массы на потоке используется датчик МЕК-2000 фирма BTG, Саффле, Швеция

Диапазон измерения концентрации 0,8%...10,0%.

Класс точности 2

Потребляемая мощность максимум 60В*А.

Выходной сигнал 4-20мА

Масса датчика 36 кг

Электропитание 110/ 220 +/- 10% , 50/60Гц.

Класс защиты                                           IP 65

Допустимые параметры окружающей среды: Влажность до 95% при 20°С Давление 760 мм рт. ст. +-30 Температура +5-+60°С.

Регулирующий орган PISTOR 75 фирма-изготовитель “VALMET”. Диаметр поршня : 75мм Давление питания: 3…6 кг/см2 Выходной сигнал: 4-20мА

Исполнительный механизм серии B1C9 Пневматический поршневой привод типа B1C9 фирмы ''Neles'' двухстороннего действия и с возвратной пружиной, как для режима регулирования, так и для отсечки

Рабочая температура 0…+100˚С

Максимальное давление питания 300 кПа

Номинальный момент, Нм 400

Диапазон командного давления 20…100 кПа

Угол поворота оси обратной вязи max 90є

Соотношение угла поворота

к командному сигналу линейное

Давление питания 0,3…2,0 МПа

Температура окружающей среды 0…+40 єС

Вес ≈1,9 кг

3. Разработка алгоритмического обеспечения АСР

В соответствии с выполняемыми функциями в АСУТП можно выделить ин-формационную подсистему, в которой решаются следующие задачи: • сбор информации с датчиков технологических параметров и состояния оборудования; • первичная обработка собранной информации (масштабирование , фильтрация, контроль достоверности параметров); • контроль параметров техпроцесса и расчет косвенных; показателей; • архивация данных технологического режима и формирование отчетов. Для контролируемых технологических параметров в буквенной форме разрабатываем алгоритмы первичной обработки информации: Масштабирование Полученные в результате опроса цифровые коды сигналов датчиков, должны быть переведены в действительные значения технологических параметров.

Формулы пересчёта кодов зависят от параметров измерительного канала:

• вида сигнала (аналоговый, число - импульсный);

• типа градировочной характеристики (линейная, квадратичная и т.п.);

• представлением градировочной характеристики ( в виде аналитических функций, табличным методом);

• драйвера платы УСО.

Так как датчик МЕК-2000 с аналоговым выходным сигналом и линейной градуировочной характеристикой::

 (1)

где : Y, - значения технологического параметра, I- значения сигнала с датчика , индексы 1, 2 относятся к любым двум точкам градуировочной характеристики измерителя.

Аналого-цифровой преобразователь с линейной характеристикой:

 (2)

где  - код АЦП сигнала датчика, индексы 1, 2 относятся к рассматриваемым точкам градуировочной характеристики .

Если оперируют значениями сигнала тока, то формула масштабирования (3) получается из уравнения (1):

 (3) т.е.

где константы:

 ,  

Формула масштабирования концентрации целлюлозы примет следующий вид:

При выходном сигнале 4-20 мА и диапазоне измерений 0,8%...10,0%.

технологический целлюлоза бумага автоматизация

A=(10-0,8)/(20-4)=0,575 B=((0.8*20)-(10*4))/(20-4)=-1.5

Y=0.575*I-1,5

Фильтрация

Практически изменения всех технологических параметров, кроме полезного сигнала, содержат помехи. Высокочастотные помехи, проходя по тракту формирования управляющего воздействия, вызывают высокочастотные колебания регулирующих органов, что приводит к их быстрому износу. Для выделения полезного сигнала среди помех осуществляют операцию фильтрации. В общем виде дискретное уравнение фильтрации имеет вид:

Yf[n]=al*Yf[n-l]+bm*Y[n-m] (4)

где: Y[n] - исходное значение технологического параметра на n-ом такте, Yf[n] - фильтрованное значение технологического параметра, al ,bm - коэффициенты фильтрации.

В частном случае уравнение (5) является фильтром экспоненциального сглаживания:

Yf[n]=aYf[n-1]+(1-a)Y[n], 0≤ a < 1 (5)

Результаты вычислений представлены в таблице 1:

При a=0.5

Дискретность контроля технологических параметров Цифровой код технологического параметра, полученный с АЦП в момент опроса, сохраняется в оперативной памяти до следующего такта опроса, т.е. осуществляется ступенчатая экстраполяция сигнала. В результате возникает погрешность воспроизведения аналогового сигнала. Её называют ошибкой ступенчатой экстраполяции. Ошибки экстраполяции зависят от дискретности (периода) контроля и свойств измеряемого сигнала. Их можно рассчитать непосредственно по реализации технологического параметра или аналитическими методами , используя корреляционную функцию сигнала

где: Dэ - дисперсия ошибки ступенчатой экстраполяции, Т - дискретность контроля, K(0), K(T) - значения корреляционной функции сигнала при аргументах равных 0 и T.

Из условия, что ошибки экстраполяции не должны превышать заданной

величины, можно определить допустимую дискретность контроля технологического параметра.

Составляем таблицу 2 для определения Dэ

Таблица 2

Расчет дисперсии ошибки экстраполяции Dэ:

, т.к. класс точности 2

T≤2c

4. Имитационное моделирование АСР

.1 Разработка математической модели АСР

Система автоматического регулирования концентрации целлюлозы после бассейна-аккумулятора должна обеспечивать отклонения концентрации от заданного значения в диапазоне: | С(t) - Сзад | < 0.2%

где : C(t), Сзад - текущее и заданное значения концентрации целлюлозы, % ; Сзад = 2.8 % ;

При останове насоса (443) на выходе бассейна заслонка (031) на потоке оборотной воды должна закрываться. Переходная характеристика объекта регулирования по каналу: “ изменение положения регулирующей заслонки (031) на потоке оборотной воды - изменение концентрации целлюлозы после бассейна-аккумулятора” представлена на рисунке. При ручном управлении в процессе эксплуатации на объекте наблюдаются изменения концентрации целлюлозы, вызванные отклонениями концентрации целлюлозы, поступающей в бассейн- аккумулятор. Они могут быть описаны функцией:

где : t - время , сек , А, Тс - коэффициенты , А = 0.7 , Тс = 900 , сек .

Разрабатываем математическую модель объекта управления на основе переходных характеристик.

По полученному уравнению строим график переходного процесса для объекта регулирования

Таблица 3

Полученный график имеет вид

4.3 Моделирование АСР

Для ПИ-регулятора имеем:

L(t)=Кп*Со+Ки ∫Со(t)dt

L[n]=L[n-1]+Kп (Co[n]-Co[n-1])+Kи*Co[n], где

- степень открытия клапана (%);

С- концентрация (%).

При

Кп= -20 ;

Ки= -6;

По полученному уравнению строим график.

Для построения графика переходного процесса по задающему воздействию составляется таблица 4 с данными:

Таблица 4

Для построения графика переходного процесс по возмущающему воздействию составляется таблица 5:

При данных настройках, система справляется с возмущением, но отклонение значения концентрации от заданного превышает допустимые 0,2%.

5. Разработка программного обеспечения АСУТП

.1 Характеристика среды программирования

ТРЕЙС МОУД - это программный комплекс, предназначенный для разработки, настройки и запуска в реальном времени систем управления технологическими процессами. Все программы, входящие в ТРЕЙС МОУД, делятся на две группы:

·        инструментальная система разработки АСУ;

·        исполнительные модули (runtime).

Инструментальная система Инструментальная система включает в себя три редактора:

·        Редактор базы каналов;

·        Редактор представления данных;

·        Редактор шаблонов.

В них разрабатываются: база данных реального времени, программы обработки данных и управления, графические экраны для визуализации состояния технологического процесса и управления им, а так же шаблоны для генерации отчетов о работе производства.

В зависимости от лицензии инструментальная система позволяет создавать проекты на разное количество каналов. Существуют следующие градации инструментальных систем по количеству точек ввода/вывода в одном узле проекта: 128, 1024, 32000х16, 64000х16.

Результатом работы в этом редакторе является математическая и информационная структуры проекта АСУТП. Эти структуры включают в себя набор баз каналов и файлов конфигурации для всех контроллеров и операторских станций (узлов) проекта, а также файл конфигурации всего проекта.

Редактор представления данных

Здесь разрабатывается графическая часть проекта системы управления. При этом создается статичный рисунок технологического объекта, а затем поверх него размещаются динамические формы отображения и управления. Среди них такие, как поля вывода численных значений, графики, гистограммы, кнопки, области ввода значений и перехода к другим графическим фрагментам и т. д.

Кроме стандартных форм отображения (ФО), ТРЕЙС МОУД позволяет вставлять в проекты графические формы представления данных или управления, разработанные пользователями. Для этого можно использовать стандартный механизм Active-X.

Все формы отображения информации, управления и анимационные эффекты связываются с информационной структурой, разработанной в редакторе базы каналов.

Графические базы узлов проекта, созданные в редакторе представления данных, сохраняются в файлах с расширением dbg. Их сохранение осуществляется в соответствующие директории проектов.

Характеристика ПИД-регулятора (PID)

Этот блок формирует выходное значение по ПИД-закону от величины, поданной на его вход INP. Формула вычисления выходного значения выглядит следующим образом: n

Q := KP * INP + KD * (INP - INP1)/dt + S KI *INP i*dt

Для ввода значений настроек используются три входа: KP - коэффициент при пропорциональной составляющей, KD - при дифференциальной, KI - при интегральной.

Модуль подаваемого на вход KI отрицательного значения передается на выход. Далее при подаче на вход KI неотрицательного значения регулирование начинается с установленной величины.

Для ограничения величины управляющего воздействия используются входы блока MIN и MAX. Первый из них задает нижний предел управления, а второй - верхний. Если величина управления выходит за любую из этих границ, то выходу присваивается величина соответствующего входа и перестает накапливаться интегральная составляющая закона регулирования.

Данный блок вычисляет величину управления по значению рассогласования регулируемой величины и задания, которое надо вычислять с помощью отдельного функционального блока.

Программирование контроллера

Программирование контроллера осуществляется путем выбора алгоритмических блоков, из стандартного, ранее установленного, набора. Разработка алгоритмов регулирования может осуществляться с помощью любой инструментальной системы разработки АСУ с использованием визуального программирования, например такой как «Trace Mode». Для внесения программы непосредственно в контроллер, либо для коррективы существующей программы, удобно использовать переносной коммуникатор, который имеет компактные размеры и подключается к контроллеру непосредственно в месте его установки, через последовательный интерфейс RS-485.

5.2 Проектирование интерфейса оператора процесса

Проектируются две экранные формы интерфейса оператора:

Видеограмма контроля заданного узла технологического процесса

1. Индикация измеренного значения концентрации(%)

2.       индикация Значения концентрации по заданию(%)

.        Индикация степени открытия клапана(%)

.        Ручной режим (открыто/закрыто)

,6,7 Режим работы мешалок и насоса (вкл/выкл)

Видеограмма контроля и управления параметрами заданной АСР

5.3 Разработка программного обеспечения

Необходимо выделить каналы для обмена данными между контролером и операторской станцией в соответствии с заданным технологическим процессом. Необходимо, также предусмотреть процедуры масштабирования данных. Программная реализация регулирования заданным технологическим параметром осуществляется на встроенном в среду ТРЕЙС МОУД языке функциональных блоков FBD .

Литература

1. Е.П.Дятлова, М.Р.Сафонова. Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами ЦБП. Учебное пособие. СПб.: СПбГТУ РП, 1999. 51с.

2. В.Н. Леонтьев. Теория автоматического управления в ЦБП. Учебное пособие. Ленинград, 1984. 81 с.

3. Ю.С.Жукова. Конспект лекций по АТПО. СПбГТУ РП, 2007. Электронный носитель.

4. Документация на инструментальную систему “Трейс Моуд”. Электронный носитель.