PROIECT LA INGINERIA REGLĂRII AUTOMATE

SISTEMUL DE REGLARE AUTOMATĂ A TEMPERATURII ÎN CASCADĂ CU SISTEMUL DE REGLARE AUTOMATĂ A PRESIUNII

Introducere

Cuprins

Cuptorul tubular

Stabilitatea SRA

Regulatorul Yokogawa

Termorezistenţa Pt 100

Traductorul de presiune relativă Rosemont

Simularea în Matlab->Simulink Concluzii

Bibliografie

2

INTRODUCERE

În cadrul proceselor petrochimice există numeroase sisteme de reglareautomată în cascadă. Dintre cele mai importante enumerăm: reglareanivelului în cascadă cu debitul, reglarea temperaturii în cascadă cu debitul,reglarea temperaturii în cascadă cu presiunea etc. Un exemplu de sistem de reglare a temperaturii în cascadă cu presiunea este cuptorul tubular. Printre căile importante de perfecţionare şi de creştere a eficienţei cuptoarelor tubulare un loc aparte îl ocupă conducerea automată, optimală, prin care să se valorifice la maximum potenţialul energetic al combustibililor utilizaţi. Un alt obiectiv al automatizării cuptoarelor se refera la asigurarea securităţii în funcţionarea acestora.Pentru aprecierea performanţelor cuptoarelor tubulare , destinate încălzirii produselor, se poate utiliza drept funcţie obiectiv efortul de operare, respective costul minim necesar asigurării sarcinii termice care trebuie transmisă produsului.Cuptoarele tubulare sunt construite pentru sarcini termice de ordinul (15…75) * kcal/h. Din punctul de vedere al tipurilor constructive exista o varietate relativ mare de cuptoare tubulare. Astfel , tipurile mai vechi sunt paralelipipedice orizontale, cu o secţiune de radiaţie şi o secţiune de convecţie sau cu două secţii de radiaţie şi o secţie de convecţie comună. Majoritatea cuptoarelor tubulare utilizate în prezent sunt însă paralelipipedice verticale sau cilindrice verticale, cu arzătoare verticale plasate în podea şi, pe cât posibil, numai cu o circulaţie ascendentă a gazelor de ardere.Din căldura totală absorbită într-un cuptor, în secţia de radiaţie se absorb 60…85% , iar în secţia de convecţie, restul de 15…40%. Drept combustibil se utilizează în mod curent gazele şi păcura. Debitul de aer necesar arderii, divizat în aer

3

secundar şi primar , este modificat atăt prin intermediul unei clape de reglare dispuse fie la baza coşului pentru gazele de ardere, deasupra secţiei de convecţie , fie în canalul de aer de combustie , înaintea arzătoarelor. În ultimii ani , la unele cuptoare cu sarcini termice apreciabile, s-a adoptat soluţia modificării debitului de aer prin variaţia turaţiei motorului de antrenare al ventilatorului. Cuptoarele tubulare pot fi cu un singur pas sau cu mai mulţi.

CUPTORUL TUBULAR CU UN SINGUR PAS

In figura următoare este prezentată schema principală a unui cuptor tubular :

Fig 1.Shema principală a unui cuptor tubularSchema principală a unui cuptor tubular cu un singur pas, cu aer preîncălzit, împreună cu principalele variabile şi comenzi disponibile:

4

Există două temperaturi de primă importanţă: temperatura T a produsului încălzit la ieşirea din cuptor, în mod curent reglată cu ajutorul debitului de combustibil, şi temperatura T0 a produsului la intrarea în cuptor, utilizată în la reglarea după perturbaţie. În afara acestor temperaturi, pentru buna funcţionare a cuptorului prezintă interes şi următoarele SM-T pentru:

- măsurarea suplimentară a temperaturii la intrare TI pentru a verifica corectitudinea traductorului de temperatură TT inclus în bucla dereglare după perturbaţie;

- măsurarea temperaturilor în interiorul cuptorului şi structurii cuptorului;

- măsurarea temperaturii produsului din serpentină în diferite puncte ale serpentinei din secţia de radiaţie pentru siguranţa unei încăziri progrsive corespunzătoare;

- măsurarea temperaturii pereţilor tubulari din secţia de radiaţie pentru a evita limita superioară admisă;

5

- măsurarea temperaturii gazelor de ardere necesară atât pentru

calculele de eficienţă cât şi pentru a nu coborî sub limita inferioară (coroziunea creşte rapid la temperaturi sub 150 C);- măsurarea temperaturii produsului din sepentină în

secţia de convenţie;- măsurarea suplimentară a temperaturii produsului la

ieşirea din cuptor TI pentru a verifica corectitudinea traductorului de temperatură TT inclus în bucla de reglare

Din punct de vedere al presiunilor prezintă importanţă următoarele

SM-P pentru :- măsurarea presiunii atât la intrarea produsului în cuptor

cât şi la ieşirea acestuia în vederea urmăririi evoluţiei depunerilor din interiorul tuburilor, aşa cum este, de exemplu cocsarea acestora;

- măsurarea presiunii înaintea arzătoarelor PT, inclusă frecvent la SRA-P subordonat , în cascadă, buclei de reglare a temperaturii produsului la ieşirea din cuptor;

- măsurarea presiunii în incinta cuptorului ( pot fi utilizate mai multe asemenea SM-P pentru a preveni suprapresiunile în focar, care conduc la schimbarea sensului flăcărilor spre structura focarului cu prejudicii imediate asupra acesteia).

6

Fig.2 Schema bloc a SRA-T în cascadă cu SRA-P

T1- traductor de presiuneT2- traductor de temperatură

În figura prezentată, pe lângă blocul de reglare, asociat mărimii primare y1, se introduce în schema regulatorul suplimentar pentru mărimea intermediară y2, fiind astfel asigurată o reglare şi implicit o limitare a acestei mărimi împreună cu mărimea de ieşire primară.Procesul este împărţit într-o parte P2 lentă şi o parte P1 cu o dinamică mai rapidă decât P2. Un SRA–T reuşeşte să elimine abaterea datorată unor perturbaţii într-un interval de timp cu valori între: 10…20 minute.SRA-P are o dinamică rapidă: 10…20 secunde.Atunci când presiunea se modifică sub influenţa perturbaţiei v1 (adică presiunea gazelor) SRA-P readuce valoarea curentă a acestsuia la o valoare prescrisă, astfel încât bucla de reglare să nu mai fie afectată cu aceeaşi intensitate de către modificările perturbaţiei v1. Un bilanţ termic în jurul cuptorului ,în regim staţionar , poate fi exprimat prin relaţia: Qp Cp(T-T0 )+ Qpi = Qc q c

Unde: q c - puterea calorică a combustibilului,în kcal/kg

Qpi - totalul pierderilor calorice, în kcal/h;

Cp - căldura specifică a produsului încălzit,în

kcal/kg ˚C.

Qc = Qp Cp(T-T0 )/ q c + Qpi /q c

Procedura de trecere în cascadă:- se trece R2 în starea manual;- se trece R2 în modul referinţă externă;

7

- se adduce referinţa regulatorului R1 la valoarea măsurii acestuia (se face m1=0);

- se trece R1 în starea manual, se modifică ieşirea regulatorului R1 până când referinţa regulatorului R2 devine egală cu măsura acestuia;

- se trece R2 în stare automată , se modifică ieşirea regulatorului R1 cu 10%.Din forma de variaţie a mărimii reglate intermediare se determină parametrii de acordare ai regulatorului R2 şi pentru evaluarea calităţii reglării se adduce referinţa regulatorului R1 la valoarea măsurii.

- se trece R1 în starea automat şi se modifică referinţa cu 10 %. În funcţie de răspunsul sistemului se vor ajusta convenabil parametrii regulatorului R1 în vederea calităţii reglării.

STABILITATEA SRA

Consideraţii iniţiale : referinţa i1si v1 le presupunem constante :

=0;

8

Pentru reglarea în cascadă:

Pentru reglarea simplă:

Analizănd relaţiile de mai sus se constată diferenţa dintre sistemele cu reglare în cascadă şi cel simplu din punct de vedere al stabilităţii , se observă că SRA cascadă are performanţe mai bune datorită faptului că permite amplificări mai mari pentru regulatorul R1 decât în cazul reglării simple, deci vom obţine un răspuns mai rapid al sistemului.

Pentru realizarea unei bucle de reglare în cascadă se pot folosi următoarele componente:

- Regulator automat YOKOGAWA YS-150- Traductor de presiune relativă ROSEMOUNT 2088 –

HART- Termorezistenţă Pt100

REGULATORUL YOKOGAWA YS-150

1.Denumirea şi funcţiile componentelor panoului frontal

9

1) Display LCD: afişează grafic sau numeric variabila deproces(PV), referinţa(SV) şi mărimea de comandă(MV). Totodatăarată evoluţia în timp a PV şi a alarmelor.2) Lampa FAIL: este un LED roşu ce se aprinde când apare oproblemă în regulator.

3) Lampa ALM: este un LED galben ce se aprinde când limitelesuperioară şi inferioară ale alarmelor sunt activate sau cândcircuitele semnalelor de intrare sau ieşire sunt întrerupte.4) Taste de selecţie a modului de operare: se poate alege întreautomat(A), manual(M) şi cascadă(C).5) Taste de setare a referinţei(SV): sunt folosite la incrementareasau decrementarea mărimii de referinţă.6) Tasta PF: activează şi dezactivează STC când se folosesc

10

interfeţele LOOP sau TREND ale regulatorului.

7) Tasta Page: selectează interfaţa dorită.8) Taste pentru setarea comenzii: ele schimbă valoarea mărimii decomandă(MV).9) Tasta SHIFT: apăsată împreună cu tastele pentru setareacomenzii, accelerează schimbarea MV; apăsată împreună cu tastaPage, selectează grupul de interfeţe dorit.

1.2 Denumirea şi funcţiile componentelor panoului intern

1) Conector RS-232C: se foloseşte pentru conectarea la PC.2) Conector pentru staţie mobilă.3) Manetă pentru scoaterea componentelor interne.4) Rotiţă pentru ajustarea mărimii de comandă: rotind orar, valoareaMV va creşte, rotind in sens trigonometric, ea se va micşora. Dacă

11

întrerupătorul 6 este setat pe OFF, atunci valoarea comenzii estedată direct de regulator. Lampa 5 se va aprinde când MV va ajungela valoarea specificată. Când întrerupătorul este setat pe ON,valoarea comenzii poate fi dată direct prin manevrarea rotiţei.5) Lampa: este un LED verde care se aprinde prin manevrarea rotiţei4.6) Întrerupător: când este ON, permite controlul mărimii decomandă prin rotiţa 4.

2.Tipurile şi funcţiunile interfeţelor2.1 Grupuri de interfeţeAcest tip de regulator dispune de trei grupuri de interfeţe aranjate dupăfuncţiunea lor.1. Grupul de interfeţe operaţional (Operation panel) includeinterfeţe pentru a:• Selecta modul de operare, seta mărimea de referinţă SV,regla mărimea de comandă MV• Afişa grafic evoluţia PV• Afişa interfaţa de alarme cu detalii despre acestea2. Grupul de interfeţe de acordare (Tuning Panel) include interfeţepentru a:• Seta şi afişa parametrii de control• Monitoriza semnalele de intrare şi ieşire3. Grupul de interfeţe pentru configurare (Engineering Panel)include interfeţe pentru a:• Seta funcţiile regulatorului• Seta şi afişa registre şi tabele• Seta parole2.2 Structura grupurilor de interfeţeFiecare grup de interfeţe este structurat astfel:

12

3.Configurarea regulatorului

Grupul de interfeţe de configurare se alege apăsând

La început va apărea meniul principal de configurare a regulatorului. Meniuleste folosit pentru a selecta meniul detaliat de configurare dorit. Există şasetipuri de meniuri detaliate. Următoarea diagramă arată cum se poate selectaunul dintre meniurile detaliate.

13

5.Configurarea parametrilor de acordare

Parametrii pot fi modificaţi din meniul detaliat. Este posibilă şi manipulareamărimii de comandă MV, dar numai în modul de operare Manual .

Folosirea tastei SoftwareÎn meniul detaliat de configurare, pe lângă parametrii de acordare, suntafişate în dreapta ecranului o serie de taste numite “taste soft”. Aceastaînseamnă că tastele operaţionale din dreapta tastelor soft îndeplinescfuncţia afişată pe ecran.

14

Configurarea parametrilor1. Selectarea parametrului pe care vrem să-l configurăm• Unii parametri din meniul detaliat nu pot fi configuraţi(sau configurarea lor este dezactivată),în timp ce alţii pot fi.

• Selectarea parametrilor se face apasând tastele sau

2. Setarea parametrului• Setarea sau modificarea parametrilor se face apăsând tastele sau • Apăsând valoarea parametrului va creşte, în timp ce apăsând valoarea parametrului va scădea.

Utilizarea tastei SAVE• Când tasta soft este afişată in dreapta ecranului, parametrul selectat poate fi scris în memoria EEPROM.• Parametrii care nu coincid cu cei scrişi în EEPROM au în dreptul lor “*”.• Prin apăsarea tastei parametrii sunt memoraţi în EEPROM.

15

Utilizarea tastei CHANGE• Tasta poate fi utilizată din meniul pentru configurarea PID1, PID2, STC1 şi STC2.• Ţinând apăsată tasta vor fi afişate interfeţele LOOP şi TREND.

Întoarcerea la meniul principal de configurare se

face apasăsând tasta

Funcţia, afişajul şi operaţiile principalelor meniuri detaliate deconfigurare Meniul de configurare PID1

Funcţia: Setarea şi afişarea parametrilor PID ai primei bucle.

Operaţiile: Operarea tastelor soft, setarea parametrilor, setarea mărimii de comandă, schimbarea interfeţelor.

Afişajul:Imaginea de mai jos reprezintă un exemplu; semnificaţiile

notaţiilor se regăsesc în capitolul Anexe.

16

Aceleaşi funcţii, afişaj şi operaţii le are şi meniul de configurare PID2.

Meniul de configurare STC1 Funcţia: Setarea şi afişarea parametrului STC al

primei bucle. Operaţiile: Operarea tastelor soft, setarea

parametrilor, setarea mărimii de comandă, schimbarea interfeţelor.

Afişajul:Imaginea de mai jos reprezintă un exemplu; semnificaţiile

notaţiilor se regăsesc în capitolul Anexe.

Aceleaşi funcţii, afişaj şi operaţii le are şi meniul de configurare STC2.

TERMOREZISTENŢA Pt100

DESCRIERE GENERALĂ

17

Măsurarea temperaturii cu termorezistenţe are la bază unor metale pure şialiaje conductoare sau semiconductoare de a-şi varia rezistenţa cutemperatura.În lucrarea de faţă am folosit o termorezistenţă Pt100, α=385 (ceea ceînseamnă ca la 00C are rezistenţa de 100Ω şi are o variaţie de 0.385Ω/0C.Dependenţa dintre temperatura T şi rezistenţa R poate fi aproximată cu orelaţie de forma:R = R0[1 + α(T – T0)]

Cele mai precise măsurători se obţin cu conexiunea cu 4 fire deoarece înacest caz măsurătorile nu sunt afectate de rezistenţa conductoarelor sau detemperatura mediului ambiant.

18

Fig20 Conexiunea cu 4 fire

Termorezistenţa poate fi folosită pentru temperaturi cuprinse între -2200Cşi +6000C.

TRADUCTORUL DE PRESIUNE RELATIVĂROSEMOUNT

DESCRIERE GENERALĂTraductorul de presiune relativă folosit poate fi configurat şi calibrat cuajutorul comunicatorului HART FIELD COMMUNICATOR 375.

19

Traductorul de presiune Rosemount

Acesta este prevăzut cu un display LCD care afişează alternativ valoareamărimii măsurate în unităţi de măsură a presiunii şi în procente din domeniulde măsură al său. În acelaşi timp, pe un bargraf 0-100%, afişează valoarepresiunii măsurate.În meniul de configurare al acestuia cu comunicatorul HART pot fistabilite următoarele: TAG-ul, unităţile de măsură(inH2O, inHg, ftH2O,mmH2O, psi, bar, mbar, g/cm2, kg/cm2, Pa, kPa, torr, atm), domeniul demăsură, dumpingul, etc.În meniul calibrare se poate regla semnalul de ieşire analogică(4-20mA)în funcţie de domeniul de măsură configurat(0-100%).De asemenea, acesta poate fi folosit şi în simulare – să genereze unanumit curent în gama 4-20mA indiferent de valoarea mărimii măsurate.Traductorul de presiune PT01 este configurat cu domeniul de intrare 0-1bar, iar ca domeniu de ieşire 4-20mA.

20

SIMULAREA IN MATLAB->SIMULINK

Se deschide mediul de lucru Matlab>>Simulink.Se creaza un fisier .mdl Gee=5/s+1;Gp1=4/50s+1;Gp21=1/2s+1;Gt1=0.05/s+1;Gt2=0.2/2s+1;Kp=0.8;Ki=0.06; În urma simulării se obţine graficul următor:

CONCLUZII

Avantajele SRA în cascadă:

21

- micşorează sensibil influenţa perturbaţiilor de tip v2 asupra mărimii de reglare y1; - bucla secundară permite o comandă exactă către regulatorul primar;

Dezavantajele SRA în cascadă: - imposibilitatea compensării efectului perturbaţiilor de

tip v1;- un cost mai mare al implementării datorită acordării

mai dificile a buclelor de reglare (bucla de reglare interna este un SRA de urmarire a referinţei furnizate de regulatorul primar)

22

ANEXEDenumirea şi funcţiunea terminalelor regulatorului

23

Semnificaţia afişajului PID1

24

Semnificaţia afişajului STC1

25

BIBLIOGRAFIE- “Automatizarea proceselor petrochimice”, Vasile

Marinoiu, EdituraDidactică si Pedagogică

- Curs Ingineria reglarii automate – Sanda Mihalache- FOXBORO Instructions- ROSEMOUNT Quick Installation Guide- YOKOGAWA YS100 series Instruction Manual

26