Cuprins 1. ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ....... 1.1. 1.1. Prezen Prezentar tarea ea coloan coloanei ei de fracţio fracţionar naree propile propilenănă-pro propan pan... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ....1 .1 1.2. Modelarea Modelarea matematic matematicăă a procesulu procesului..... i.......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......3 .3 1.3. Structuri Structuri de reglare reglare ierarhice ierarhice..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......13 ..13 1.4. 1.4. Elemen Elemente te de execu execuție.... ie....... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ....... 17 2.
Hybr Hy brid id Cont Contro roll De Design signer er
.......... ............... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... ........ ... 17 2.1. Descriere Descriere..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........ ... 17 2.2. 2.2. Cara Caract cter eris isti tici ci.............................................................................. .... .......................................................................................... .17 2.3. 2.3. Manage Managemen mentul tul progra programul mului ui de confi configur gurare are... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...19 19 2.4. 2.4. Modi Modifi fica care reaa con confi figu gura rației iei îînn ttim impu pull rul rulăr ării ii......................................... 19 2.5. Interfața..............................................................................................20 2.6. Crearea Crearea unui program program de configura configurare.... re......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..... 20 2.7. 2.7. Privir Priviree de ansam ansamblu blu asup asupra ra utili utilitare tarelor lor de conf configu igurar rare.. e..... ...... ...... ...... ...... ...... .......21 21 2.8. Prezentare Prezentareaa utili utilitarelo tarelor..... r.......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .........22 22 2.9. 2.9. Prog Progra rama mare reaa int inter erfe feței de intr intrăr ării ana analo logi gice ce........................................23 2.10. Programare Programareaa interfe interfeței de ie șiri analog analogice ice........................................30 2.11. Blocul funcțiilor matematice (Math) .............................. ............................................... ................. 32 3.
Impl Implem emen enta tare rea a regu regula lato toru rulu luii după după per pertu turb rba ație.... ..................................................................
3.1. 3.2. 3.2.
35 Implementa Implementarea rea algoritmu algoritmului... lui........ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........35 .....35 Verifi Verifica carea rea progra programul mului ui implem implement entat. at.... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .....36 ..36
Bibliografie ........................................... .................................................................. .............................................. ................................. .......... 38
1. Coloana de fracţionare propilenă-propan
1
1. Colo Coloan ana a de frac fracţi ţion onar aree prop propil ilen enă-p ă-pro ropa pan n 1.1 Prezentarea coloanei de fracţionare propilenă-propan Separarea propilenei de propan care au puncte de fierbere apropiate se realizează prin procesul de superfracţionare, coloana GV 14 având 105 talere (vezi figura 1.1). Coloana de fracţionare are două zone: - zona de rectificare situată deasupra locului unde se introduce materia primă ; - zona de epuizare situată sub locul unde se introduce materia primă în coloană . Pentru a se asigura procesul de fracţionare în zona de epuizare a coloanei trebuie să se creeze un flux ascendent de vapori, în acest scop în partea inferioară a coloanei trebuie să se vaporizeze o cantitate de lichid cu ajutorul unui refierbător . În coloană se realizează separarea propilenei de propan prin superfracţionare. 2
Coloana de separare propan - propilenă are posibilitatea de a fi alimentată în 3 zone şi anume: pe talerele 36, 44, 52, în funcţie de calitatea alimentării. În cazul în care alimentarea are un punct de fierbere mai scăzut, aceasta intră în coloană pe talerul 36, respectiv pe talerul 52, în cazul în care punctul de fierbere este mai ridicat. Procesul tehnologic . Vaporii de propilenă ies la vârful coloanei şi sunt condensaţi în condensatoarele condensatoarele cu apă G-E18a.b,c,d. Propilena condensată intră în vasul de reflux G-V15 pe la partea inferioară a vasului. Temperatura la intrarea în vasul G-V15 este măsurată local cu termometrul . Presiunea la vârful coloanei se menţine constantă . Depăşirea valorii admise a presiunii la vârful coloanei este semnalizată la DCS. Produsul lichid din vasul de reflux G-V15 este aspirat cu pompa G-P12A,B – pompe produs vârf coloană separare propan - propilenă şi refulat astfel: - o parte ca reflux la vârful coloanei de separare, deasupra primului taler; - o parte este trimis la depozit ca propilenă produs finit. În vederea determinării compoziţiei produsului de la vârful coloanei, se recirculă în permanenţă o cantitate de produs, cu ajutorul unei pompe . Fracţionarea în coloana de separare propan – propilenă se realizează cu aport de căldură la baza coloanei, prin refierbătorul cu abur G-E19 – refierbător tip Kettle. Produsul din baza coloanei, propanul, intră în refierbător. Temperatura la intrarea în refierbătorul G-E19 este măsurată local cu termometrul . Vaporii formaţi în refierbător ies la partea superioară şi se întorc în coloană sub ultimul taler. Temperatura vaporilor la ieşirea din refierbător este măsurată şi indicată la DCS. Pe conducta de abur este prevăzut un robinet, care la creşterea presiunii la vârful coloa coloanei nei peste nivelul nivelul maxim admis admis se închid închide, e, înt întrer rerupâ upând nd astfe astfell alimen alimentar tarea ea cu abur abur a refierbătorului din baza coloanei. Agentul termic folosit la supraîncălzitor este aburul de joasă presiune. Debitul de propan vapori în gaze combustibile este măsurat înregistrat la DCS Produsul din compartimentul compartimentul de lichid al refierbătorului G-E19, format format din propan este dirijat la răcitorul cu apă G-E20 – răcitor r ăcitor baza coloană de separare propan – propilenă.
3
Fig.1.1. Schema automatizată a coloanei de fracţionare propilenă-propan Prin condensatoarele cu apă 9G-E18a.b,c,d. va trece o cantitate de vapori care, prin condensare, condensare, să asigure debitul de reflux necesar pentru funcţionarea coloanei. Caracteristici ale coloanei de separare propilenă-propan: Rolul coloanei este de a separa propilena de propan prin fracţionare. o Coloana lucrează cu o raţie de reflux rece de aproximativ 12 : 1. o Coloana are diametrul de φ 3200 mm şi o lungime totală de 52.722 mm între o liniile de tangenţă, plus două funduri eliptice la vârf şi bază. Coloana este prevăzută cu 105 talere cu clapeţi de tip G1 din oţel carbon cu o distanţa între talere de 457 mm. 4
Coloana se alimentează cu fracţia propan-propilenă de la fundul coloanei de uscare, pe unul din talerele 36, 44 sau 52. Produsul de vârf (propilena) iese pe la vârful coloanei, iar după condensare o o parte se întoarce ca reflux deasupra primului taler iar restul pleacă ca propilenă finită la parc. Produsul de bază, propanul, iese din refierbătorul coloanei şi după răcire pleacă o la parc.[3,4] o
1.2 Modelarea matematică a procesului Expresiile analitice necesare înţelegerii fundamentelor distilării sunt următoarele: necesară şi corespunzătoare corespunzătoare fluxului intern; Energia minimă necesară Numărul minim de talere teoretice; cunoaşterea : Expresii simple pentru factorul de separare, ceea ce presupune cunoaşterea stărilor de echilibru; volatilităţii relative constante; fluxurilor molare constante.[3]
1. Gradele de libertate Cu o alimentare dată (F, z, q) şi presiunea P, avem doar doua grade de libertate în operaţia de distilare cu două produse independente independente de numărul de componenţi în alimentare. Dacă ştim, de exemplu, rata refluxului L T şi fluxului de vapori V B in coloană, toate stările de pe toate talerele pentru ambii componenţi sunt complet determinate. 2. Gradul de separare Pentru a descrie gradul de separare între doi componenţi, în coloana sau într-o parte a coloanei, vom introduce factorul de separare :
S=
( x L / x H ) T , ( x L / x H ) B
(1.1)
unde x- fracţia molară a componentului; L- componentul uşor; H- componentul greu; T- vârful coloanei; B- baza coloanei. 3. Conceptul de echilibru teoretic Conceptul de echilibru teoretic (vezi figura 1.2) este foarte important pentru fracţionare. Se presupune realizarea echilibrului vapori-lichid (VE) pe fiecare taler şi că lichidul de pe taler curge către talerul inferior, iar vaporii de pe taler urcă spre talerul superior. Acest lucru corespunde chiar fizic în cazul coloanelor cu talere, coloanele cu umplutură neavând acelaşi comportament fizic. Conform literaturii de specialitate [7], calculele bazate pe conceptul de echilibru teoretic se potrivesc suficient de bine coloanelor reale, chiar şi celor cu umplutură.
5
Figura 1.2. Conceptul de stare de echilibru 4. Starea de echilibru vapori – lichid (VE – vaporizare în echilibru) Într-un sistem cu două faze (PH=2) şi cu N c componenţi care nu reacţionează între ei, starea este determinată de N c grade de libertate : f=Nc +2 – PH ; (1.2) n
∑ x
i
=1 ;
(1.3)
=1 ;
(1.4)
i =1 n
∑ y
i
i =1
Într-un amestec ideal (Raoult), presiunea parţială p i a componentului i în faza vapori este propoţională cu presiunea de vapori a componentului componentului pur la temperatura T : pi=xi p pi0(T)
(1.5)
Pentru un gaz ideal, conform legii lui Dalton, presiunea parţială a unui component este proporţională cu fracţia molară : Pi=yi P de unde yi=xi
p i0 P
=
(1.6)
xi pi0 (T )
∑ x p i
0 i
(T )
- relaţia VE(vaporizarea în echilibru) [4]
(1.7)
i
5. Valorile K si volatilitatea relativă Valo Valoar area ea k se nume numeşt ştee cons consta tant ntăă de echi echili libr bruu şi se calc calcul ulea ează ză astfe astfell pent pentru ru un component i :
k i=
y i
(1.8)
xi
Volatilitatea relativă între componenţii i şi j este definită ca : ( yi / xi ) k i α ij= ( y / x ) = k j
j
j
6
(1.9)
α ij=
α ij ,top
⋅α ij ,baza
,
(1.10)
atunci relaţia VE devine : yi=
x i
α i
∑
(1.11)
x i
α i
i
Pentru un amestec binar vom scrie x=x 1 (component uşor) şi x 2=1-x (component greu). VE devine: x α
Y= 1 +(α −1) x
(amestec ideal)
(1.12)
Această curbă de echilibru este ilustrată în figura 1.3.
Figura 1.3. VE pentru un amestec ideal
6.Bilanţul material pe un taler Bazată pe conceptul talerelor în echilibru, o secţiune a coloanei de fracţionare este modelată ca în figura 1.4. Notarea talerelor se face pornind din baza coloanei spre vârf. Bilanţul material pentru componentul i pe talerul n (în moli/sec) este : dN i , n dt
=(Ln+1xi,n+1-Vnyi,n)-(Lnxi,n-Vn-1yi,n-1)
(1.13)
unde : Ni,n – numărul de moli ai componentului i pe talerul n; yi,n - fracţia molară a componentului i in faza f aza de vapori existentă pe taler de volum V n; xi,n - fracţia molară a componentului i in faza f aza de lichid existentă pe talerul de volum L n.
7
Figura 1.4. Secţiunea coloanei de fracţionare modelată ca un set de stări de echilibru conectate Vom considera
dN i , n dt
=0. Este convenabil să definim fluxul material net (w i) al
componentului componentului i de la talerul n la talerul n+1 [moli/sec] : wi,n=Vnyi,n-Ln+1xi,n+1 wi,n=wi,n+1=wi (la stare staţionară)
(1.14) (1.15)
7. Numărul minim de talere teoretice Cu fluxuri interne infinite Li şi Vi, bilanţul material de-a lungul oricărei secţiuni din coloană este V i=Li+1 sau pentru orice component V iyi=Li+1xi+1. Pentru o coloană cu N talere, avem : S= α N (formula lui Fenske) Pentru o coloana cu factorul de separare dat putem calcula numărul minim de talere (Fenske) : Nmin=ln S/ln α Notă : Pentru o bună separare (S mare) se cere un număr mare de talere. Pentru Pentru găsir găsirea ea taleru talerului lui optim optim pentru pentru alimen alimentar taree în coloa coloană nă se folose foloseşte şte teoria teoria lui McCabe : L Vârf : yn= V (xn+1-xD)+xD (1.16) T L Bază : yn= V ( xn+1-xB)+xB (1.17) B z=qxF+(1-q)yF (1.18) yF= α xF/(1+( α -1)xF) (1.19)
(1 − y F ) x B NT-NB= x F (1 − x D ) ln
ln α
Deci, numărat de la bază în sus, talerul de alimentare este : 8
(1.20)
NF=
[ N + 1 − ( N T − N B ) ] 2
(1.21)
unde N este numărul total de talere teoretice. 8. Energia minimă necesară Cu un număr infinit de talere, putem reduce refluxul până când are loc undeva în interiorul coloanei o uniformizare a concentraţiei. Pentru o separare binară acest lucru se întâmplă pe talerul de alimentare (unde linia bilanţului material şi linia de uchilibru se vor întâlni) şi astfel putem deriva uşor o expresie pentru refluxul minim. Pentru o alimentare lichidă saturată :
− φ H Dα Lmin= F, α − 1 φ L D
unde
φ L D
(1.22)
=DxD,L/FzF,L este fracţia componentului uşor recuperată şi
D
φ H
este fracţia
D componentului greu recuperată, în fracţionare. Deci pentru o separare pură ( φ LD =1 şi φ H =0) a unui amestec lichid binar cu debite molare constante şi volatilităţi relative constante, energia minimă (abur) este :
Vmin=
1 α −1
F+D
(1.23)
Dinamica procesului de fracţionare O coloană de fracţionare tipică cu o alimentare şi două produse este reprezentată în figura 1.5. Cele mai importante notaţii sunt prezentate în continuare: F – debitul alimentării [kmol/min]; zF – compoziţia alimentării [fracţii molare]; qF- condiţia termică a alimentării; D şi B – debitul de distilat respectiv produs de bază [kmol/min]; xD şi xB- compoziţia ( componentului uşor) în produsul de vârf şi cel de bază; L- debitul de reflux la vârful coloanei; V- debitul de vapori în baza coloanei; N- numărul de talere teoretice ale coloanei (inclusiv condensatorul cu vasul de reflux); i – numărul talerului teoretic (1-bază, N F – talerul de alimentare); Li şi Vi sunt fluxurile de lichid respectiv de vapori de pe talerul i [kmol/min]; xi şi yi sunt compoziţiile în fază lichidă respectiv de vapori (ale componentului uşor) [fracţii molare]; Hi – acumularea lichidă pe talerul i [kmol] (H B -nivelul în baza coloanei, H VR nivelul în vasul de reflux); α - volatilitatea relativă a componentului uşor faţă de cel greu; HI – acumularea lichidă în toată coloana [kmol]; λ - constanta asociată efectului fluxurilor lichide şi de vapori („efectul K2” ).
9
Figura 1.5. Structură tipică de reglare a unei coloane de fracţionare (configuraţia LV). În figura de mai sus avem ca : Agenţi de reglare Qc D B V L
Mărimi reglate P MD(sau HVR ) MB(sau HB) xB XD
Modele Modele matem matemati atice ce static staticee oferă oferă inform informaţi aţiii preţio preţioase ase pentru pentru conce conceper perea ea struc structur turii ii sistemului de conducere automată, dar nu sunt şi suficiente. Nu se poate asigura reglarea după perturbaţie a compoziţiilor produselor separate fără considerarea dinamicii canalelor perturbaţie - compoziţie respectiv comandă - compoziţie. Performanţele reglării după abatere depind direct de dinamica procesului de fracţionare în ansamblul ei. Constante de timp ale dinamicii Într-un proces de fracţionare sunt prezente, principial, două categorii de întârzieri: 1. asociate fenomenelo fenomenelorr de transport ale fluxurilor de vapori vapori şi lichid în Întârzieri hidraulice hidraulice asociate sensuri opuse, de-a lungul coloanei. Regimurile tranzitorii asociate acestor procese au durate de la câteva secunde – pentru fluxul de vapori V – la zeci de minute – pentru refluxul L; Deoarece densitatea vaporilor este mult mai mică decât densitatea lichidului, zestrea de vapori a talerelor este neglijabilă faţă de zestrea de lichid. La coloanele care separă componenţi cu temperaturi de fierbere apropiate debitul V este aproximativ constant de-a lungul coloanei, iar o creştere a lui la baza coloanei se manifestă la vârful acesteia după câteva secunde. La separa separarea rea compon componenţ enţilo ilorr cu difere diferenţe nţe mari mari înt între re tempe temperat raturi urile le de fierbe fierbere re poate poate apărea apărea o 10
acumulare considerabilă de căldură sensibilă ca rezultat al variaţiei temperaturii de-a lungul coloanei. Pentru a creşte debitul refluxului ce părăseşte un taler trebuie să crească mai întâi nivelul lichidului pe talerul respectiv datorită unui debit mărit al refluxului care curge pe acesta de pe talerul superior (se face cu întârzieri importante). Curgerea de pe un taler pe altul fiind liberă, zestrea de lichid pe talere se măreşte cu creşterea debitului de reflux. Efectuând un bilanţ material în jurul talerului i se obţine : dU dt
=Li-1+Vi+1-Li-Vi
(1.24)
unde U este zestrea de lichid pe taler (m 3). Pentru Vi ≈ Vi+1 relaţia devine : dU dt
=Li-1-Li
(1.25)
Zestrea de lichid de pe taler este alcătuită dintr-un volum constant de lichid U 0 asociat înălţimii pragului deversorului, şi un volum variabil U v situat deasupra pragului deversorului : U=U0+Uv ≡ U0+Ahd (1.26) dU dt
=A
dh d
(1.27)
dt
unde : A – aria talerului (in m2); hd - inălţimea dinamică a lichidului pe taler dependentă de L i . Deci, în final avem : a
dL i dt
+Li=Li-1
(1.28)
unde a reprezintă constanta de timp hidrodinamică (sau a fluxului intern)a talerului. 2. Întârzieri de transfer de masă datorate fenomenelor de transfer de masă între cele două faze. Deşi cele două debite V şi L se stabilizează relativ repede, procesul de modificare a compoziţiei lichidului pe talere continuă un timp îndelungat (de ordinul orelor şi zecilor de ore). La perturbarea fluxurilor de lichid şi vapori regimul dinamic din coloană nu încetează odată cu consumul regimului tranzitoriu hidrodinamic ci continuă cu modificarea compoziţiilor lichidului pe talere. Această din urmă modificare reprezintă în sine un proces foarte lent, durata regimului tranzitoriu fiind de ordinul orelor şi zecilor de ore. La perturbarea debitelor alimentării sau refluxului, în coloană se nasc şi se propagă două unde, prima este asociată modificării debitului refluxului din taler în taler, iar cea de-a doua, mult mai lentă, asociată modificării compoziţiei refluxului.[3,4] Astfel la separarea unui amestec binar, ecuaţia diferenţială pentru talerul i este : Ui
dx i dt
=-(L+VK i)xi+Lxi-1+VK i+1 i+1xi+1 (unde K i=
y i x i
)
(1.29)
unde constanta de timp a transferului de masă (sau a fluxului extern) este a= Ui/ (L+VK i) . Elemente primare folosite în modelarea matematică a procesului de fracţionare Determ Determina inarea rea analit analitică ică a modele modelelor lor matema matematic ticee are la bază bază legile legile care care guvern guvernea ează ză desfăşurarea proceselor respective : bilanţuri materiale şi energetice, ecuaţii de stare, relaţii de
11
echilibru. În acest din urmă caz, un interes deosebit îl prezintă ipotezele care se fac asupra sistemului fizic ce trebuie modelat. Deşi Deşi se bazea bazează ză pe acele aceleaşi aşi eleme elemente nte primar primaree (ecuaţ (ecuaţii ii de bil bilanţ anţ,, ecuaţi ecuaţiii de stare, stare, echilibru şi date experimentale) un model matematic de conducere este diferit de cel utilizat de proiectantul coloanei. Pentru Pentru conducer conduceree interesea interesează ză în primul primul rând dependen dependenţele ţele compoziţii compoziţiilor lor produselo produselor r separate în funcţie de comenzi şi perturbaţii, acestea fiind asociate în mod direct operării coloanei. Modelul matematic de conducere trebuie să fie simplu, pentru a permite conducerea în timp real a coloanei, dar suficient de precis pentru a fi utilizat la optimizarea procesului. În cazul amestecului binar avem bilanţul material global :
F = B + D F x = D x+ B x F
D
(1.30)
B
din care se deduc raporturile D F
=
− x B ; x D − x B x F
B F
=
− x F ; x D − x B
x D
D B
=
− x B . x D − x F x F
(1.31)
Relaţia de bilanţ global (1.30) arată că dacă se fixează D sau B, celălalt rezultă prin diferenţă. În consecinţă, dacă se fixează, de exemplu, raportul D/F atunci B/F şi D/B sunt determinate şi anume : D B F − D = =1- ; (1.32) F D B
F D = F − D
F D / F = . 1 − D / F
(1.33)
Debitele vaporilor de la vârful coloanei V şi refluxul L determină valorile rapoartelor D/F, B/F şi D/B. Un bilanţ bilanţ material pe condensatorul condensatorul total conduce la relaţia relaţia : V=L+D sau V D V L
= =
L D D L
+
1
(1.34)
+1
(1.35)
Valorile debitelor interne ale vaporilor şi refluxului sunt, în general, diferite de valorile externe ale aceloraşi fluxuri. Efectuând bilanţul material şi termic pe talerul din vârf în interiorul coloanei obţinem : Vi+L=Li+V (1.36) Vi(h0+r D)+LhL=Lih0+V(h0+r D) (1.37)
unde : h0 – entalpia lichidului de la vârf la temperatura de fierbere; hL – entalpia refluxului extern; Vi – fluxul intern de vapori; Li – refluxul intern; 12
r D – căldura latentă de vaporizare a distilatului. Din (1.36) şi (1.37) se obţine : h − h Li=L 0 L + 1 r D Deoarece
h0
− h L r D
(1.38)
≥0, refluxul intern L i va fi întotdeauna mai mare sau egal cu refluxul
extern L. La coloanele cu variaţii mari ale temperaturii între vârf şi bază datorită variaţiilor căldurilor latente vor exista şi modificări ale fluxurilor de lichid şi vapori. Cea mai mare variaţie însă o are refluxul intern la trecerea de la secţiunea de rectificare la cea de stripare pentru coloanele ale căror alimentări sunt la temperatura de fierbere. Notă : Pentru xD ≈ 1 şi xB ≈ 0 avem D=zF. Deci trebuie modificat raportul D/F astfel încât debitul distilatului să egalizeze cantitatea de component uşor din alimentare. Orice abatere de la această valoare va duce la o modificare semnificativă a concentraţiilor produselor. În general, o schimbare în fluxurile externe (D/F sauB/F) are un efect semnificativ asupra concentraţiilor, deoarece orice modificare a lui D/F faţă de z implică mari schimbări ale concentraţiilor. Un bilanţ termic duce la relaţia : FhF+Qr =Q =Qc+DhD+BhB Qr =r =r BVr Qc=V(h0+r D-hD)
(1.39) (1.40) (1.41)
Notă : Dacă se alege drept comandă D, respectiv D/F, atunci sunt două posibilităţi: fie se fixează direct direct D, fie se stabileşte stabileşte aceasta prin diferenţa diferenţa V-L. Cea de-a de-a doua variantă prezintă însă două neajunsuri : • variaţii mici ale debitelor V si L, pentru coloane cu raţii mari de reflux, determină variaţii mari ale raportului D/F şi deci ale compoziţiilor produselor; • neputând regla direct V, acesta acesta este sediul variaţiilor mărimilor de care depinde: depinde: V r , L, F, qL, qF şi qB ( unde Vr – debitul de vapori generat de căldura introdusă în refierbător; q F = h0
− h F r D
; qL=qD=
h0
− h D r D
; qB=
h0
− h B r D
).
Exemple de modele de separare Acestea exprimă dependenţa compoziţiilor de fluxurile de lichid şi vapori în mod cantitativ : 1. Modelul Douglas – Jafarey – McAvoy Acest model se bazează pe ipoteza constantei volatilităţii relative şi a fluxurilor molare în cele două secţii ale coloanei. N α m (soluţie analitică a lui Smoker) S= (1.42) ( ) 1 1 / + Rx F
unde : R – raţia de reflux, R=L/D; 13
S – factorul de separare ; x D / x B
S=
(1.43) (1 − x D ) (1 − x B ) Pentru o coloană cu un număr dat de talere, operată la reflux total, se obţine cea mai bună separare, adică cel mai mare x D şi cel mai mic xB ;astfel S ia valoarea maximă: Smax= α N m Relaţia Relaţia (7) este valabilă valabilă pentru pentru alimentări alimentări lichide ale coloanei coloanei aflate la temperat temperatura ura de fierbere (qF=1). Atunci când q F ≠ 1, relaţia de aproximare a soluţiei analitice a lui Smoker are forma : N q F + R S= α m 1 − (1.44) (1 + R) ( q F + Rx F ) min
Algoritmi : Cunoscându-se Cunoscându-se F, x F, q F, α m şi N relaţiile (1.42) şi (1.43) împreună cu (1.31) pot fi utilizate două moduri : ♦- se cunosc comenzile L/D şi D/F şi se cer compoziţiile produselor separate, adică x D şi xB (Alg.1); ♦- se cunosc compoziţiile produselor separate, adică x D şi x B, şi se cer comenzile L/D şi D/F (Alg.2). Alg.1 1. Din (1.42) se determină factorul de separare S. 2. Cunoscând : D F
=
− x B x D − x B x F
(1.45)
se explicitează x B care se înlocuieşte în (1.43) şi se obţine : xD= (− b − b 2 − 4ac ) / 2 a (1.46) unde : D a = ( S −1) ; F c =SxF;
D b =- + x F ( S − 1) + 1 . F 3. Din (1.45) se calculează x B : D x − x D F XB= F D
F
(1.47)
−1
Alg.2 : 1. Date de intrare : F, xF, qF, α m , N, xDu, xBu, xDg, xBg. 14
2. Se calculează S cu relaţia : x Du Du / x Bu
S= x
Dg
(1.48)
/ x Bg
3. Se determină raţia de reflux cu relaţiile (1.42) şi (1.44). 4. Se calculează D/F (sau B/F) din : D x Fg − x Bg = F x Dg Dg − x Bg D F
=
− x Bu x Du − x Bu x Fu
(1.49) (1.50)
5. Din (1.31) se calculează V/F. 2. Model Modelul ul Fenske Fenske – Gil Gilli lilan landd – Und Underw erwood ood Acest model este utilizat cu succes în conducerea proceselor de fracţionare industriale, având la bază dependenţa dependenţa lui Gilliland : ( N − N min ) / ( N +1) =f [ ( R − Rmin ) / ( R + 1) ] (1.51) unde : Nmin – numărul minim de talere teoretice; N - numărul de talere teoretice; R min min - raţia minimă de reflux; R - raţia reală de reflux. Numărul minim de talere teoretice se calculează cu relaţia lui Fenske : x / x Nmin=ln Di Bi /ln ij (1.52) x Dj / x Bj unde : i – componentul uşor; j – componentul greu. Raţia minimă de reflux se determină cu relatia lui Underwood : α
n
α i x Fi
∑α −θ =1-q ; i =1 n
∑ i =1
F
(1.53)
i
α i x Di α i
− θ
=R min min+1
unde gg ug . gg < θ < α Aproximările dependenţei dependenţei lui Gilliland sunt : A= [1 − 1.333( N − N min ) / ( N + 1) ] 1.7587
(1.54)
α
(1.55)
R= ( R + A) / (1 − A) (1.56) Notă: Pentru amestecurile binare, cele două modele prezintă doi parametrii de acordare : α şi N. min
1.3 Structuri de reglare ierarhice Structuri ierarhice de conducere
Nivelul ierarhic asociat instalaţiei tehnologice generează deciziile de alocare a resurselor între diferitele procese unitare ale platformei. Deciziile se iau zilnic sau chiar mai frecvent, în 15
funcţi funcţiee de sistem sistemul ul de condu conducer ceree al proce procesel selor or unitar unitare. e. Un exempl exempluu îl consti constitui tuiee uti utiliz lizare areaa aburului provenit din surse diferite, cu costuri diferite.[5,6] Nivelul ierarhic al operării procesului unitar preia decizia elaborată de către nivelul ierarhic ierarhic superior, superior, realizeaz realizeazăă modificări modificări pentru pentru îndeplini îndeplinirea rea obiective obiectivelor lor trasate. trasate. Acest Acest nivel nivel presupune echipamente individuale de conducere, referinţele acestora putând fi schimbate la interval de o oră sau chiar mai frecvent. Baza de timp asociată reglării la acest nivel este de ordinul minutelor. Nivelul ierarhic al reglării de bază constă în sistemele de reglare a presiunii, nivelului şi debitului. Constantele de timp asociate acestui nivel sunt situate sub 1 secundă. Nivelul 1 de conducere
Sistemul multivariabil reprezentat de coloana de fracţionare propenă-propan are 5 mărimi de intrare şi 5 mărimi de ieşire. Dintre cele cinci mărimi de ieşire, concentraţiile produselor separate prezintă un interes deosebit. Studiul matricei amplificărilor relative în regim staţionar, MARS, reprezintă un ghid util în alegerea perechilor agent de reglare – concentraţie reglată. S-a realizat un studiu comparativ pentru configuraţiile de reglare LV , LB, DV , DB/L, DV/B, SB/L, SV/B, (tabelul 1) utilizând relaţiile de calculul dezvoltate de Shinskey . PC
L LC
F, xF
FC
FC
D, xD
LC
Agent termic
FC
FC
B, xB
Figura 1.5. Structura de reglare asociată nivelului 1 de conducere ierarhică Tabelul 1.. Rezultatele numerice ale MARS Structura MARS 0.841 Λ DV 1.019 Λ DL/B 1.042 Λ DV/B 0.165 Λ LD 1.010 Λ LB 20.831 Λ LV 0.910 Λ LL/B
Structura Λ Λ
LV_B
Λ
SV
Λ
SL/B
Λ
SV/B
Λ
DS
SD
MARS 0.828 0.241 2.435 0.942 1.015 0.758
Dintre amplificările relative supraunitare, structura LB are valoarea cea mai apropiată de 1 şi în consecinţă această structură va reprezenta nivelul 1 de conducere ierarhică (fig. 1.5) . 16
Nivelul 2 de conducere
La nive nivelu lull 2 de cond conduc ucer eree iera ierarh rhic icăă este este im impl plem emen enta tatt un sist sistem em de regl reglar aree a concentraţiilor produselor separate, sistem cu acţiune după perturbaţie (figura 1.6). Procesul este caracterizat prin mărimile Y T = [ x D , x B ] ; P T = [ F , x F ] ; U T = [ L, B ] . F, xF
Regulator
L, B
XiD, XiB
Figura 1.6 . Schema bloc a regulatorului după perturbaţie. i ] , are forma Algoritmul de reglare după perturbaţie, U = f ( I , P ) , în care I T = [ x Di , x Bi Fenske-Gilliland-Underwood : i
x B = F D i x D
− x F ; − x Bi
ln N min=
[kmol/h] i
i
x D i
1− x D
ln
∗
1− x B i
x B
(1.57)
;
α
(1.58) θ
=
α
x F (α − 1) + 1
Rmin min
=
i α x D
α − θ
+
;
i 1 − x D
1 − θ
(1.59)
−1 ;
(1.60) 1,7587
N − N min A = 1 −1,333 ∗ N + 1 A + Rmin R = ; 1 − A L R ( F B ) ; [kmol/h], =
;
(1.61) (1.62)
−
(1.63) în care: α
reprezintă volatilitatea medie relativă a componentului uşor în raport cu cel
greu; - parametru în relaţia Underwood; Rmin – raţia minimă de reflux; N - numărul teoretic de echilibre lichid-vapori (talere teoretice); N min min - numărul minim de echilibre teoretice; Rmin – raţia minimă de reflux; R – raţia reală de reflux; A - parametru în relaţia Eduljee; L - debitul de reflux; i - indice asociat prescrierii sistemului automat de conducere. θ
17
Structura sistemului de conducere ierarhică a procesului de fracţionare a amestecului propenă-propan cuprinde două niveluri: nivelul unu al automatizării de bază şi nivelul 2 al reglării concentraţiilor cu acţiune după perturbaţie (fig. 1.7). i
N iv e l u2l
xB MRP
xF
xDi L(t)
B(t) N iv e l u1l
PC
L LC FT
F, xF
FC
FC
D, xD
LC
Agent termic
FC
FC
B, xB
Figura 1.7. Structura de conducere a procesului de fracţionare cu două niveluri ierarhice. Prescrierile nivelului 2 de conducere sunt concentraţia în propenă a distilatului şi a produsului din bază, perturbaţia măsurată este debitul de alimentare F , iar comenzile nivelului 2 de conducere sunt materializate ca prescrieri ale sistemelor de reglare a debitului de reflux L şi a debitului din bază B, sisteme situate la nivelul ierarhic 1 .
18
2. Hybrid Control Designer 2.1 Descriere
Software-ul Hybrid Control Designer este un program care rulează sub sistemul de operare Windows şi este utilizat pentru configurarea echipamentului HC900 produs de Honeywell, precum şi a interfeţelor operator OI 559 şi 1042 ale aceleiaşi companii. Comunicarea dintre program şi HC900 se poare efectua prin reţea Ethernet, legătură serială sau prin modem. Când este utilizat pentru configurarea HC900 cu procesor C70 sau C70R, HC Designer permite verificarea funcţionării ambelor porturi de comunicare, şi oferă posibilitatea selectării oricăruia dintre cele două porturi pentru programarea echipamentului. Softul oferă funcţii avansate de monitorizare pentru depanare, permite modificări ale confi configur guraţi aţiei ei echip echipame amentu ntului lui în tim timpu pull funcţi funcţionă onării rii,,
încarc încarcăă config configura uraţiil ţiilee comple complete te ale
controller-ului şi interfeţei operator (configuraţii grafice, cu tot cu comentarii).
Figura 2.1. Hybrid Control Designer
2.2 Caracteristici
19
- Configura Configurarea rea echipamen echipamentelor telor se face grafic, cu blocuri blocuri grafice selectate selectate prin drag-anddrop şi unite prin linii logice (aşa-numite soft wires) pentru a crea logica dorită.
- Suportă Suportă încărcarea încărcarea în memoria echipamentu echipamentului lui a unor versiuni versiuni modificate modificate a programel programelor or deja existente, direct în timpul rulării - Oferă posibilita posibilitatea tea „partiţionă „partiţionării” rii” programului programului de configurare configurare în până la 800 de zone de lucru (worksheets ), pentru o vizionare mai uşoară a diverselor părţi ale programului - Posibilită Posibilităţi ţi extinse de monitoriz monitorizare, are, precum: precum: o
Ferestre de vizualizare (watch window) predefinite sau definite de utilizator
o
Direcţia de „curgere” a semnalelor
o
Valorile pinilor blocurilor funcţionale
o
Identificarea „sursei” unui anumit semnal
o
Ş.a.
- 5 niv nivel elee de zoom zoom - Ferest Ferestre re de diagno diagnosti sticc on-lin on-linee pentru pentru analiz analizaa contro controlle ller-ul r-ului, ui, a portur porturilo ilorr de I/O, I/O, a conexiunilor de reţea ale echipamentului cu computerul - Suport Suport pentru pentru Windows Windows NT, 2000, 2000, Me şi XP Professiona Professionall - Su Supo port rtaa cone conexi xiun unii Ethe Ethern rnet et,, RS-4 RS-485 85,, RS-2 RS-232 32 dire direct ctăă şi mode modem m pent pentru ru a acce accesa sa echipamentul Softul pune la dispoziţie foi de lucru ( worksheets ) diferite pentru: - Configura Configurarea rea hardware hardware a contro controller-u ller-ului lui - Configura Configurarea rea interfe interfeţei ţei operato operator r - Crearea programului programului de funcţionare a controller-ului (grafic, prin blocuri funcţionale) - Utilitare, configurarea configurarea porturilor de de comunicare comunicare şi alte alte programe de diagnoză[2] diagnoză[2] Mediul grafic de dezvoltare bazat pe blocuri funcţionale grafice permite divizarea strategiei de reglare în până la 40 de foi de lucru, fiecare având până la 20 de pagini. Aceasta permite ca programul de configurare să poată fi organizat potrivit cu funcţionarea procesului, permiţând o configurare mai rapidă şi o documentare îmbunătăţită asupra procesului. În plus, firmele care asigură dezvoltarea de proiecte industriale pe baza acestui model de echipament pot implementa funcţii de securitate asupra diferitelor foi de lucru pentru a nu permite beneficiarului accesul la anumite operaţii proprietare, permiţând doar modificarea foilor de lucru neprotejate.
20
Blocurile funcţionale sunt selectabile dintr-o listă structurată, situată în partea stângă a ecranului. Blocurile pot fi conectate între ele, sau pot fi conectate la aşa-numite tag -uri -uri (Signal Tag în terminologia programului).
2.3 Managementul Programului de Configurare Controller-ul HC900 reţine programul de configurare pentru HC900 şi pentru interfaţa oper operat ator or Hone Honeyw ywel elll OI 559 559 sau sau 1042 1042 în memo memoria ria sa inte intern rnă. ă. So Soft ftul ul are are posi posibi bili lita tate teaa de descărca descărcare re a programul programului ui existent existent în memoria memoria controller controller-ului, -ului, permiţând permiţând astfel astfel modificare modificareaa acestuia şi simplificând managementul acestor programe de configurare (existenţa pe calculator a mai multor versiuni ale programului de configurare poate face foarte dificilă determinarea versiunii care se afla propriu-zis în controller). Programul descărcat din memoria controller-ului coincide cu cel existent pe calculator inclusiv sub aspectul comentariilor introduse în program
pentru pentru simplificare simplificareaa în țelegerii elegerii lui. Noile versiuni ale Hybrid Controller Designer pot fi utilizate pentru a scrie programe pentru versiuni mai vechi de HC900 2.4 Modificarea configuraţiei in timpul rulării Schimb Schimbări ările le config configura uraţie ţieii progra programul mului, ui, precu precum m adăuga adăugarea rea sau şterge ştergerea rea blocur blocurilo ilor r funcţionale sau schimbarea conexiunilor logice dintre blocuri, pot fi transferate în memoria controller-ului direct în timpul funcţionării, evitând astfel reiniţializarea sistemului. Toate ieşirile şi stările sunt menţinute pe perioada (extrem de scurtă, de altfel) a transferului programului, după care funcţionarea funcţionarea programului programului se reia. Schimbările Schimbările care vizează modificări modificări în configura configuraţia ţia modulelor I/O necesită un timp mai mare de download. Această perioadă de timp în care ieşirile şi stăril stărilee sunt sunt men menținute inute consta constante nte sunt sunt preze prezenta ntate te uti utiliz lizato atorul rului ui ca perioa perioadă dă de downlo download ad împreună cu opţiunile pe care acesta le va lua în continuare. Dacă se downloadează în timp ce controller-ul se află în starea Program, sau în cazul în care se selectează opţiunea Cold Start în modul Run, toate ieşirile sunt oprite şi se execută reiniţializarea bazei de date a controller-ului.
21
2.5 Interfaţa File Browser
Figura 2.2 Lis Lista cu Bloc Blocuuri Fu Func ncţi ţioonale nale
Bloc Blocuuri Fu Func ncţi ţioonale nale
Con Conexiu xiuni Logi Logicce
2.6 Crearea unui Program de Configurare
Crearea unui document nou se poate face în două moduri: -
prin prin apă apăsa sare reaa buto butonu nulu luii New New afla aflatt pe tool toolba bar r
-
meniul File, opţiunea New... Oricare ar fi modalitatea aleasă, rezultatul este apariţia ferestrei din Fig 10.
Fig 10. Crearea unui nou program de configurare
La Controller Type se va selecta opţiunea HC900-C50 . La Controller Revision se alege Rev 2.1x/2.3x . 22
Se apasă butonul OK , caz în care va apărea fereastra din Fig 11. De acolo se selectează 50 Hertz şi se apasă din nou OK .
Fig 11. Power Noise Rejection 2.7 Privire de ansamblu ansamblu asupra utilitarelor de configurare
Configurarea echipamentului HC900 se face prin intermediul utilitarelor incluse şi care pot fi accesate din tabul Utilities , aflat în partea de jos a ecranului.
Fig 12. Poziţia tabului Utilities În Fig 13 este afişată structura tabului Utilities.
Se poate observa că fereastra este împărţită în două zone. permită configurarea configurarea porturilor de comunica comunicare re ale Prima zonă , cea de jos, este menită să permită calculatorului. A doua zonă , cea de sus, este utilizată pentru configurarea propriu-zisă a controller-ului
HC900. 23
2. 8 Prezentarea Utilitarelor a) Setar Setarea ea Ceas Ceasulu uluii Inter Intern n al HC900 HC900
Accesarea acestui utilitar se face prin apăsarea butonului corespunzător, corespunzător, figurat mai sus. Se alege pentru configurare configurare : Set to PC Local Local Time si daca totul totul a fost in regula se va va afi șa mesajul : Succesfully set instrument time. b) Download-ul programului de configurare configurare în memoria memoria internă internă a HC900
Butonul corespunzător este: Apăsarea butonului respectiv duce la apariţia unui meniu precum cel din Fig 14. Pentru a transfera programul de configurare în memoria internă a echipamentului, se va selecta opţiunea : Download configuration
Fig 14. Selectarea modalităţii de comunicare cu HC900 Alegerea optiuni specificate duce la apariţia ferestrei din Fig 14. În partea de sus a ferestrei se alege modalitatea de comunicare cu echipamentul HC900, după care se apasă butonul Start. Pentru realizarea cu secces a acestei operaţii, controller-ul trebuie setat în starea Prog sau Prog&Run. Aceasta se face comutând butonul existent pe frontispiciul HC900 în una din aceste două stări. Echipamentul se poate în trei stări. În funcţie de aceste stări, apăsarea butonului Start va determina apariţia unei alte ferestre.(starea Prog, Prog + Run , Run) 24
c) Descărcarea Descărcarea programului existent în memoria internă a HC900 Butonul corespunzător: În partea de sus a ferestrei se alege modul de comunicare cu echipamentul HC900. După alegerea variantei dorite, se va apăsa butonul Start.
Fig 15. Descărcarea programului din memorie Operaţiunea se poate realiza doar în cazul în care controller-ul se află în starea Prog. În caz contrar, operaţiunea va eşua şi se va afişa mesajul de eroare . d) Configur Configurarea area interfeţe interfeţeii seriale seriale
Configurarea interfeţei seriale presupune două etape: -
confi configur gurare areaa port portulu uluii seri serial al al calcu calculat latoru orului lui
-
confi configur gurare areaa port portulu uluii seri serial al al echip echipame amentu ntului lui Configurarea portului serial al calculatorului.
Este posibil ca la început niciunul din porturile seriale să nu fie activat şi configurat. Acest fapt este figurat printr-o icoană precum: Dacă portul serial este activat, iconiţa corespunzătoare va deveni: Configurarea portului serial al calculatorului.
După ce s-a configurat corect portul serial al calculatorului, se poate stabili comunicaţia cu controlle controller-ul r-ul şi începe începe configura configurarea rea portului portului serial serial al acestuia. acestuia. Pentru aceasta se apasă butonul: 25
e) Confi Configur gurar area ea inter interfe feţei ţei de de reţea reţea
Ca şi în cazul configurării interfeţei seriale, configurarea interfeţei de reţea presupune două etape: -
confi configur gurare areaa portu portului lui de reţea reţea al calc calcula ulator torulu uluii
-
confi configur gurare areaa portu portului lui de reţea reţea al ech echipa ipamen mentul tului ui Configurarea portului de reţea al calculatorului.
Se apasă butonul: Configurarea portului de reţea al echipamentului HC900.
Pentru setarea portului de reţea al HC900, este necesară comunicaţia cu echipamentul, adică trebuie să existe o cale de comunicaţie. Deoarece în această etapă comunicaţia prin reţea nu este posibilă, deoarece nu s-a setat adresa IP HC900, singura variantă posibilă este existenţa unei legături seriale funcţionale între cele două entităţi .
Se va apăsa pe butonul: f) Monitori Monitorizare zarea a funcţi funcţionăr onării ii echip echipamen amentului tului HC900 HC900
Pornirea monitorizării se face din butonul: Alternativ, se poate folosi butonul
aflat în toolbar.
Controller Diagnostics
Permite afişarea diverselor
informaţii despre controller-ul HC900.
26
Rack Diagnostics
Figura 3.63. Rack Diagnostics
Afişează informaţii detaliate despre intrările şi ieşirile existente în fiecare rack în parte. Rackul se poate selecta din partea stângă sus.
Serial Port S1 Diagnostics
Serial Port S2 Diagnostics
Date referitoare la portul RS232/ RS485 al HC900.
27
Network Port Diagnostics
Oferă informaţii despre portul de reţea al HC900. Function Block Monitor
Permite afişarea unei ferestre de monitorizare, precum cea din Figura 3.69, pentru blocul funcţional selectat. Acea Aceast stăă fere fereas astră tră perm permit itee real realiz izar area ea unei unei operaţ operaţiun iunii extrem extrem de import important antee în proce procesul sul de monitorizare: forţarea unei ieşiri . Pentru aceasta se selectează opţiunea Out, aflată în partea de jos a listei de opţiuni. În acest moment, în partea de sus se va activa butonul Write şi vor apărea o căsuţă text şi un buton Unforce.
În căsuţa text se va introduce valoarea dorită pentru ieşire şi se va apăsa butonul Write. Drept consecinţă, în partea de jos, în dreptul opţiunii Out va apărea valoarea nou introdusă, iar in paranteza va aparea scris (FORCED). All Function Block Windows
Permite dispariţia ferestrelor de proprietăţi ale blocurilor funcţionale. Apăsarea din nou a butonului permite reapariţia ferestrelor care au fost ascunse anterior. All Pins
Perm Permit itee afiş afişar area ea sau sau ascu ascund nder erea ea valo valori rilo lorr de moni monito tori riza zare re pent pentru ru toat toatee bloc blocur uril ilee funcţionale.
28
g) Calibrar Calibrarea ea intrăril intrărilor or analogic analogicee
Pornirea procesului de calibrare se face f ace apăsand pe butonul: Pentru realizarea calibrării unei intrări sau ieşiri, este absolut necesar ca echipamentul să se afle în modul Prog. 2.9 Programarea Programarea interfe interfeț ei de de intrări intrări analogice analogice
Blocul Blocul funcţi funcţiona onall reprez reprezent entân ândd int intrar rarea ea analo analogic gică, ă, se afla afla în grupu grupull I/O Block Blocks, s, sub denumirea Analog Input.
Figura 3.10. Intrarea analogică din grupul I/O Blocks
Toate blocurile funcţionale au notate în partea de sus nişte iniţiale ce reprezintă tipul blocului funcţional, permiţând identificarea, tipului de bloc şi a funcţiilor realizate de acesta. În Figura 3.7 codul AI, este specific intrărilor analogice (Analogic Input), valoarea ’1’ din partea dreaptă dreaptă sus reprezintă reprezintă ordinea ordinea de execu ție a blocului. Blocurile de intrare cât şi cele de ieşire analogice / numerice, prezintă un cod format din 6 cifre, ce reprezintă intrarea sau ieşirea pe care o utilizează. Codul este reprezentat de 6 cifre, în formatul rrmmcc. – primele două cifre cifre din cod, reprezintă rackul rr mm – următoarele două cifre, reprezintă modulul cc – ultimele două cifre, reprezintă canalul propriu-zis Funcţionare
Rolu Rolull bloc blocul ului ui func funcţi ţion onal al este este acel acelaa de a efec efectu tuaa citirea citirea unei singure singure intrări intrări analogic analogicee , specificată printr-un cod de forma rack-modul-canal, şi de a trimite valoarea citită la ieşirea blocului funcţional pentru a putea fi folosită mai departe în strategia de reglare.[1] Intrări • Intrarea fizică Valoarea citită de la intrarea analogică; dezactivează intrarea analogică • DIS ( Disable Disable ) dezactivează
29
Obse Observ rva aț ie
Intrarea fizică este reprezentată de mărimea din proces ce vine de la traductor. Ieşiri • OUT (Output ) valoarea citită de la intrarea analogica, în unităţi inginereşti • FAIL semnalează starea intrării analogice • WARN semnalează posibilele probleme ale senzorului conectat la intrarea
analogică
Obse Observ rva aț ie
OUT poat poatee fi repr reprez ezen enta tatt atât atât în unit unităăți ingi ingine nere reşt ştii 4... 4...20 20 mA cât cât şi în 0-30 0-3000 mm
(reprezentând înăl înălțimea minimă si maximă între care care se pot preleva preleva date). Foaia de proprietăţi
Poate fi accesată accesată atât prin click dreapta dreapta cât şi prin dublu click click pe blocul func țional
Figura 3.13. Foaia de proprietăţi a blocului Analog Input
•
Address
Permite specificarea adresei intrării analogice de la care se va face citirea. Rack – specifică rack-ul. În cazul în care intrarea analogică se află în acelasi rack cu controller-ul HC900 (cum este în cazul acestui proiect), această valoare va fi 1. Module – specifică numărul modulului. Numărătoarea începe, de la stânga la dreapta, cu primul modul propriu-zis de intrări-ieşiri, care va fi considerat numărul 1. Channel – specifică numărul corespunzător intrării analogice dorite. În cazul controller-ului HC900 din laborator, modulul corespunzător intrărilor analogice este primul din stânga, deci va avea numărul 1, si se va alege canalul 1. 30
•
Input Type and Range
•
Range
Specifică tipul semnalului de intrare, sau tipul senzorului conectat la intrarea analogică. T/C Termocuplu RTD (Resistance Temperature Detector) Termorezistenţă Linear semnal liniar Special carbon sau oxigen Specifică numărul de unităţi inginereşti caracteristice valorii minime ( Low) şi maxime (High) a semnalului de intrare. Aceste mărimi se pot modifica doar în cazul în care semnalul de intrare este de tip liniar.
Figura 3.14
Exemplu :
Traductor de debit Input Type and Range Linear / mA 4 Variabila de proces = Debit Limite ale debitului = 0 – 250 gal/min High Range Display Value = 250 Low Range Display Value = 0 Rezultă : 20mA = 250, 250, 4mA = 0
20
Bad Channel Detection
Dacă este activat, în cazul în care se detectează un canal AI defect, se va rula o rutină de diagnosticare. Daca nu este selectat nu se va genera nici un diagnostic. Pentru intrări analogice utilizate doar pentru monitorizare, se recomandă ca această opţiune să fie dezactivată. •
Burnout Check
Este valabil doar pentru termocupluri. •
Disabled Channel Output Value
Valoarea generată la ieşirea blocului funcţional, în cazul în care se dezactivează intrarea analogică. •
Settings
această valoare la compesarea valoari de ieşire a intrării analogice, şi este utilizată în cazul în care domeniul de măsura al senzorului s-a deplasat ca urmare a unor defecţiuni, deteriorări sau din oricare altă cauză. Bias
•
Failsafe
Specif Spec ific icăă valo valoar area ea de la ieşi ieşire reaa bloc blocul ului ui func funcţi ţion onal al în cazu cazull în care care se dete detect ctea ează ză o disfuncţionalitate a senzorului de intrare sau când controller-ul nu poate accesa canalul specificat 31
Use Value valoarea este specificată manual Upscale valoarea specificată la Range High, în cazul Linear, sau valoarea maximă a semnalului de intrare, în cazul RTD sau T/C. Downscale valoarea specificată la Range Low, în cazul Linear, sau valoarea minimă a semnalului de intrare, în cazul RTD sau T/C.
•
Calibrarea intrării analogice
Calibrarea intrării analogice a fost tratată în capitolul II, in sectiunea de descriere a utilitarelor. 2.10 Programarea Programarea interfe interfeț ei de ieşiri ieşiri analogice analogice AO Function Block Descriere
Bloc Blocul ul func funcţi ţion onal al repr reprez ezen entâ tând nd ieşi ieşiri riii anal analog ogic ică, ă, apar apar ține ine grup grupul ului ui I/O I/O Bloc Blocks ks,, sub sub denumirea mA Analog Output.
Figura 3.23. Blocul funcţional asociat ieşirii analogice Funcţionare
Rolul Rolul blocul blocului ui funcţi funcţiona onall este este acela acela de a efectu efectuaa scrier scrierea ea unei valori la o singură ieşire analogică, specificată printr-un cod de forma rack-modul-canal, şi de a trimite valoarea scrisă la ieşirea blocului funcţional pentru a putea fi folosită mai departe în strategia de reglare.
Intrări • IN
Valoarea de intrare în blocul funcţional – valoare analogică; valoarea este în unităţi inginereşti
Ieşiri • OUT
valoarea convertită a marimii de intrare, în unităţi inginereşti (mA),ce este trimisă la o adresă specifică. • FAIL semnalează eroarea modulului de ieşiri analogice
Foaia de proprietăţi
•
Address
Specifică ieşirea analogică la care se doreşte scrierea. Adresa este specificată în acelaşi mod ca şi în cazul intrării analogice, adică Rack – Module – Channel. 32
Figura 3.24. Foaia de proprietăţi a blocului Analog Output
•
Failsafe
Specif Spec ific icăă valo valoar area ea de la ieşi ieşire reaa bloc blocul ului ui func funcţi ţion onal al în cazu cazull în care care se dete detect ctea ează ză o disfun disfuncţi cţiona onalita litate te a senzo senzorul rului ui de int intrar raree sau când când contro controlle ller-ul r-ul nu poate poate acces accesaa canalu canalull specificat. Use Value valoarea dorită este specificată manual High valoarea va fi valoarea Hi din Output Range Low valoarea va fi valoarea Low din Output Range Hold menţine la ieşire utima valoare de dinaintea detectării erorii
Figura 3.26. Setarea ieşiri la valoarea Low
•
Input Range
Range Hi Range Lo
Specifică valoarea maximă a semnalului de intrare, în unităţi inginereşti Specifică valoarea minimă a semnalului de intrare, în unităţi inginereşti
Figura 3.27. Setarea Input Range
33
•
Output Range
mA at Range Hi mA at Range Lo •
valoarea semnalului de ieşire, în mA, pentru Range Hi valoarea semnalului de ieşire, în mA, pentru Range Lo
Output Limits
mA at High Limit
valoarea maximă care va fi scrisă la ieşirea analogică; poate fi între 0 şi 21; implicit este 21 mA at Low Limit valoarea minimă ce va fi scrisă la ieşirea analogică; poate fi un număr între 0 şi 21; implicit este 0 •
Slew Rate
Reprezintă rata maximă în care valoarea de la ieşirea analogică poate fi adusă de la la 0% la 100%. Valoarea este exprimată în secunde şi poate fi un numar între 0.0 si 99. Valoarea implicită este 9. 2.11 Blocul Blocul funcțiilor iilor matematice matematice (Math)
a) ADD Function Block Descriere
Blocul Blocul funcţiona funcţionall ADD (Addition Mathematical Mathematical Operation) Operation) realizeaz realizeazăă funcția matematic matematicăă de adunare.[1]
Func uncția
Adună Adună cele 2 intrăr intrării X și Y și furniz furnizeaz eazăă rezulta rezultatul tul la ieșire. OUT = X+Y •
Intrări
Ieșire
X = Prima intrare de tip analogic Y = A doua intrare de tip analogic OUT = Suma celor două intrări analogice
b) SUB SUB Fun Funct ctio ion n Blo Block ck Descriere
Blocul funcţional SUB (Subtraction mathematical mathematical operation) realizează realizează func ția matematică de scădere.
34
Func uncția
Scade o intrare intrare Y, din cealaltă cealaltă X și furnizează furnizează rezultatul rezultatul la ie șire. • OUT = X-Y
Intrări
Ieșire
X = Prima intrare de tip analogic Y = A doua intrare de tip analogic OUT = Scăderea celor două intrări analogice
c) MUL MUL Func Functi tion on Bloc Block k Descriere
Blocul Blocul funcţi funcţiona onall MUL (Multi (Multipli plicat cation ion mathem mathemati atical cal operat operation ion)) realiz realizeaz eazăă func func ția matematic matematicăă de înmul înmulțire.
Func uncția
Înmulțește cele cele două două valori valori aplic aplicate ate la intrări intrări X, Y și furnizea furnizează ză rezultat rezultatul ul la ieșire. • OUT = X-Y
Intrări
Ieșire
X = Prima intrare de tip analogic Y = A doua intrare de tip analogic OUT = Valoarea analogică calculată
d) DIV DIV Func Functi tion on Blo Block ck Descriere
Blocul funcţional DIV (Division (Division mathematical operation) operation) realizează func func ția matematică de împă îm părrțire. ire.
Func uncția
Împarte cele două valori aplicate aplicate la intrări X, Y și furnizează furnizează rezultatul la ieșire. • OUT = X/Y Dacă Y=0, atunci OUT=0 și statusul blocului blocului de calcul calcul este setat setat la 0. 35
Intrări
Ieșire
X = Prima intrare de tip analogic Y = A doua intrare de tip analogic OUT = Valoarea analogică calculată
e) MATH MATH Func Functi tion on Bloc Block k Descriere
Bloc Blocul ul func funcţi ţion onal al MATH MATH (Fre (Freee From From Math Math)) perm permit itee im impl plem emen enta tare reaa unei unei func funcții matematice complexe, cu mai multe intrări.
Func uncția
Citește intrăr intrările ile A…H și calcu calculeaz leazăă o funcție matem matematică atică cu ajutorul ajutorul unor func ții generale: – – – – – – – – – – – –
Intrări Ieșire
• • • • • •
abs = absolut, EXP = exponen exponenț ială (ln-1), (ln-1), Ln = logaritm natural (în bază bază e), Log 10 = logaritm logaritm în bază 10, 10, neg(Unary-) = negare, sqrt = radical, + = adunare, - = scădere, * = înmul înmulț ire, ire, / = împăr împărț ire, ire, ^ = ridicare la putere (xy) ( ) = paranteze decalcul,
A…H = Intrările de tip analogic OUT = Valoarea analogică calculată ERR = Este activată dacă se detectează o eroare de calcul în următoarele cazuri: împăr împărțire la 0 radical dintr-un număr negativ 0 la puterea 0 LOG10 sau LN dintr-un număr număr negativ sau sau din 0 rezultatul ridicării la putere x^y este mai mare decât 1.7E + 308. rezultatul exponen exponențialei EXP (x) este mai mare decât decât 3.4E + 308 sau sau mai mic decât decât 3.4E -308.
Obse Observ rva aț ie
36
• • •
Orice număr mai mic decât 3.4E - 308 va fi f i considerat drept valoare 0. În cadrul ecuațiilor trebuie folosite numai caractere, nu și cifre! cifre! În fiecare ecuație pot fi scrise maximum 50 token-uri sau 100 de caractere. caractere. Tokenul este o opera operație, variabilă, variabilă, sau sau pereche pereche de parante paranteze; ze; sfâr sfâr șitul ecua ecua ției este tratat tratat ca un token. token.
3. 3.1
Implementare area re regulator torului du după per pertur turbaț ie Implementarea algoritmului
Implem Implement entare areaa algori algoritmu tmului lui de reglar reglaree după după pertu perturba rbație Fenske-Gilliland-Underwood descris descris în paragrafu paragrafull 1.3 s-au utilizat func țiile matematice matematice ale mediului mediului de dezvoltare dezvoltare Hybrid Control Designer. Structura programului este prezentată în figura 3.1.
Figura Figura 3.1. Regulatorul Regulatorul după perturba perturbație Pentru Pentru achizi achiziționarea ionarea datel datelor or din proces, proces, F și X F, au fost folosite 2 intrări analogice setate conf confor orm m figu figurii rii 3.3 a și b. Se obser observă vă că au fost fost folosi folosite te canal canalel elee anal analog ogic icee 8 și 7, iar traductoa traductoarele rele folosite folosite au avut avut ie șirea 4-20 mA. mA. Pentru simularea acestor intrări a fost folosit un generator de semnal setat pentru a furniza la ieșire sem semnal nal 4-20 4-20 mA. mA.
Fig 3.2. Generatorul de semnal 37
a. b. Fig. 3.3. a) Setarea intrării analogice pentru debitul alimentării (F) b) Setarea intrării intrării analogice pentru pentru concentra concentra ția alimentării (XF) Scopul Scopul acest acestui ui regula regulator tor este este de a realiz realizaa ecua ecua țiile iile furniz furnizate ate de modelu modelull simpli simplific ficat at al proce procesul sului ui de frac fracț ionare ionare Fenske-Gilliland-Underwood , și furni furniza zare reaa la ieșiril irilee analo analogi gice ce a valorilor pentru debitul reziduului reziduului (B) și debitul de reflux (L). Pentru acest lucru au fost setate cu ajutorul blocurilor Analog Variable, următoarele variabile: XD = 0,92, XB = 0,7, ALFA = 1,147 și N = 70. Ecuația ce calculeaz calculeazăă valoarea valoarea pentru debitul debitul de reziduu reziduu a fost implementa implementată tă cu ajutorul ajutorul blocurilo blocurilorr SUB, DIV ș i MUL. Restul Restul de ecuaț ii cu ajutorul ajutorul cărora se implem implementea entează ză calculul calculul debitului de reflux au fost implementate cu ajutorul blocurilor MATH, descrise în paragrafele anterioare. Pentru Pentru o mai mai bună bună înțeleger elegeree a modulu moduluii de implemen implementar tare, e, fiecă fiecărui rui bloc bloc de calcul calcul i s-a atribuit un nume constând în numele variabilei din algoritm ce este calculată de acel bloc. 3.2 Verificarea programului implementat
Pentru verificarea corectitudinii corectitudinii calculului efectuat efectuat de regulatorul după perturba ție realizat cu ajutor ajutorul ul HC900, HC900, s-a realiz realizat at un progra program m în lim limbaj bajul ul de progra programar maree Pascal Pascal ce realiz realizeaz eazăă aceleași calcule. Acest Acest program este prezentat în cele ce urmează: {$f+} program fob_fgu; type sir=array[1..100] of real; functie=function(x:real):real; var x,y:sir; L,B:real; function pow(x,y:real):real; var 38
a:real; begin a:=y*ln(x); pow:=exp(a); end; procedure model(xbi:real; var L,B:real); const alfa=1.147; N=70; F=100; xf=0.7; xdi=0.9; var teta,Rmin,Nmin,A,R:real; teta,Rmin,Nmin,A,R:real; begin teta:=alfa/(xf*(alfa-1)+1); Rmin:=alfa*xdi/(alfa-teta)+(1-xdi)/(1-teta)-1; Nmin:=ln(xdi*(1-xbi)/(1-xdi)/xbi)/ln(alfa); A:=1-1.333*(N-Nmin)/(N+1); A:=pow(A,1.7587); R:=(A+Rmin)/(1-A); B:=F*(xdi-xf)/(xdi-xbi); L:=R*(F-B); end; begin L:=0; B:=0; model(0.05,L,B); writeln('L=',L); writeln('B=',B); readln; end. Rezultatele furnizate furnizate de către acest program program pentru L și B sunt prezentate în figura figura 3.4, iar cele furnizate de simularea regulatorului regulatorului după perturba ție cu ajutorul echipamentului echipamentului HC900 sunt apropiate de acestea. acestea. Diferen ța este dată de gradul de precizie precizie cu care este făcut făcut calculul în cele două cazuri.
Fig. 3.4. Rezultatele Rezultatele simulării regulatorului regulatorului după perturba perturba ție 39
Bibliografie
1.) 1.) Ho Hone neyw ywel ell, l, HC900 Hybrid Control Designer-Function Block Reference Guide, Revision 4
Sept. 2003 2.) 2.) Ho Hone neyw ywel ell, l, Hybrid Control Designer Software Specification, 2005 3.) 3.) Mari Marino noiu iu V., Paraschiv N., Automatizarea proceselor chimice , vol. 1, Editura Tehnica,
Bucuresti, 1992; 4.) Marinoiu V., Paraschiv N., Automatizarea vol. 2, Editura Tehnica, Automatizarea proceselor proceselor chimice , vol.
Bucuresti, 1992; 5.) Marinoiu V., Paraschiv N., Patrascioiu C., Conducerea cu calculatorul a procesului de
separare a propeneie, Revista de chimie, 37, Nr. 11, 1986; 6.)
Mari Marinoi noiu u V., Parasc Paraschiv hiv N., Sistem automat evoluat pentru procesul de separare a
propenei de chimizare, Revista de chimie, 42, Nr. 8-9, 1991; 7.) Stratulă C., Fracţionarea, principii şi metode de calcul , Editura Tehnică, Bucureşti,1986;
40
{$f+} program fob_fgu; type sir=array[1..100] of real; functie=function(x:real):real; var x,y:sir; L,B:real;
a:=y*ln(x); pow:=exp(a); end; procedure model(xbi:real; var L,B,Qa:real);
function pow(x,y:real):real; pow(x,y:real):real;
const alfa=1.11616; N=70; F=100; xf=0.7; xdi=0.92;
var a:real; begin a:=y*ln(x); pow:=exp(a); end;
var teta,Rmin,Nmin,A,R:real; begin teta:=alfa/(xf*(alfa-1)+1); Rmin:=alfa*xdi/(alfa-teta)+(1-xdi)/ (1-teta)-1; Nmin:=ln(xdi*(1-xbi)/(1xdi)/xbi)/ln(alfa); A:=1-1.333*(N-Nmin)/(N+1); A:=pow(A,1.7587); R:=(A+Rmin)/(1-A); B:=F*(xdi-xf)/(xdi-xbi); L:=R*(F-B); Qa:=7.682*(L+F-B); end;
procedure model(xbi:real; var L,B:real); const alfa=1.11616; N=70; F=100; xf=0.7; xdi=0.92; var S,R:real; begin B:=F*(xdi-xf)/(xdi-xbi); S:=(xdi*(1-xbi))/(xbi*(1-xdi)); R:=1/(xf*(pow(alfa,2)/pow(S,2/N)-1)); L:=R*(F-B);
begin L:=0; B:=0; model(0.0887575,L,B,Qa); writeln('L=',L); writeln('B=',B); writeln('Qa=',Qa); readln;
end;
begin L:=0; B:=0; model(0.131,L,B); writeln('L=',L); writeln('B=',B); readln;
end.
end. --------------------------------{$f+} program fob_fgu; type sir=array[1..100] of real; functie=function(x:real):real; var x,y:sir; L,B,Qa:real; function pow(x,y:real):real; pow(x,y:real):real; var a:real; begin
41
