9.3. Регулятор соотношения с переключением каналов

Рассматривается система автоматического регулирования (САР) соотношения реагентов, реализуемая на базе микропроцессорной техники (контроллеров). Основное внимание в данной работе уделено алгоритмической части регулирования соотношения. В алгоритме учитываются ситуации, которые могут появляться в условиях промышленной эксплуатации САР. Надёжность САР обеспечивается за счёт повышения точности поддержания заданного соотношения, исключения отклонения текущего значения соотношения на величину больше допустимого значения и исключения ложного формирования управляющего воздействия. Данный алгоритм является типовым [29, 30] и может применяться в технологических процессах, где требуется поддержание соотношения.

На рис. 33 изображён реактор, в который поступают два раствора реагента.

Рис. 33. Функциональная схема регулирования соотношения

Приведём пояснения обозначений на рисунке: Р – реактор; F1 – расход первого раствора реагента; c1 – концентрация первого реагента; F2 – расход второго раствора реагента; c2 – концентрация второго реагента; F3 – выход с реактора (расход продуктов реакции – первый поток); c1п – проскок первого реагента; F4 – выход с реактора (расход продуктов реакции – второй поток); c2п – проскок второго реагента; с3 – концентрация целевого продукта; зад – заданное значение соотношения; М1 – коэффициент перевода весового соотношения в эквимолярное; c1п_min – нижняя допустимая граница проскока первого реагента; c1пmax – верхняя допустимая граница проскока первого реагента; c2пmin – нижняя допустимая граница проскока второго реагента; c2пmax – верхняя допустимая граница проскока второго реагента. Указываются также нижняя и верхняя границы задания по соотношению растворов реагентов: – нижняя граница заданного значения соотношения; – верхняя граница заданного значения соотношения. ИМ I – первый исполнительный механизм (изменяет расход F1); ИМ II – второй исполнительный механизм (изменяет расход F2); FE – датчик расхода; QE – датчик концентрации; TE – датчик температуры в зоне реакции; PRF – признак ведущего канала. Если автоматически или оператором задаётся значение признака PRF равным единице, то ведущим каналом является первый, то есть расход реагента – F1. В этом случае расход F1 стабилизируется, а соотношение поддерживается изменением расхода F2. Если PRF = 0, то ведущим каналом является F2. АВТ – автоматический режим работы системы регулирования соотношения; ДИСТ – дистанционный режим работы системы; РУЧ – ручной режим работы системы, то есть всё управление берёт на себя оператор. На рис. 33 опущены многочисленные приборы, не влияющие на суть алгоритма регулирования соотношения. Например, преобразователи.

Допустим, что F1 – ведущий поток. Расход реагента F1 определяет нагрузку на реактор и не изменяется. С точки зрения регулирования данный расход стабилизируется. В этом случае расход F2 будет ведомым, то есть изменением этого расхода будем поддерживать заданное соотношение.

Рассмотрим несколько вариантов регулирования соотношения. Самый простой, на первый взгляд, алгоритм регулирования соотношения представлен зависимостью (1). Получим весовое соотношение реагентов

. (1)

Для поддержания эквимолярного соотношения введём коэффициент перехода М1 от весового соотношения к молярному. Коэффициент М1 учитывает молекулярные веса реагентов и стехиометрию уравнения реакции.

Уравнение (1) примет вид:

. (2)

Приравняем данное текущее соотношение заданному соотношению.

Из формулы (2) следует, что поддержание заданного соотношения можно осуществлять изменением расхода F2 по формуле (3):

. (3)

Закон регулирования по формуле (3) является статическим; для него неизбежна статическая ошибка. Допустим, в выражении (3) значения параметров в числителе и знаменателе остались неизменными, поэтому и положение исполнительного механизма ИМ II остаётся неизменным. Если в это время изменяется давление в трубопроводе II, то изменится и расход F2i, следовательно, нарушится заданное соотношение, а изменить положение по данному алгоритму (формула (3)) не представляется возможным. Для повышения качества (точности) поддержания заданного соотношения перейдём к астатическому закону регулирования. В качестве астатического регулятора возьмём ПИ-регулятор. Выражение (4) отражает суть астатического регулирования соотношения с помощью ПИ-регулятора:

, (4)

где U_F2 – сигнал регулирования расхода F2; К1_п – коэффициент пропорциональности; Т1_и – постоянная времени интегрирования; U_F20 – начальное значение сигнала регулирования, соответствующее начальному положению ИМ II; _ – величина рассогласования соотношения; К_п _ – пропорциональная составляющая; – Интегральная составляющая регулятора.

_ = _i – _зад, (5)

где _ – разность между текущим значением соотношения _i и заданным _зад.

В виду того, что канал F1 является ведущим, система регулирования должна поддерживать расход F1 неизменным. Для стабилизации расхода F1 применяется также ПИ-регулятор, но с другими коэффициентами настройки:

, (6)

где 1 = F1_зад – F1_i; U_F1 – сигнал регулирования расхода F1; К2_п – коэффициент пропорциональности; Т2_и – постоянная времени интегрирования; U_F10 – начальное значение сигнала регулирования, соответствует начальному положению ИМ I.

Автоматически или по требованию оператора может меняться признак ведущего канала. Если признак PRF примет значение ноль, то канал F2 станет ведущим, а канал F1 станет ведомым. В момент переключения каналов текущее значение расхода F2 становится равным заданному. ПИ-регулятор по каналу F2 перейдёт в режим стабилизации расхода F2. Заданное соотношение будут поддерживаться изменением расхода F1:

, (7)

где настройки данного регулятора численно могут быть другими, поэтому коэффициент пропорциональности К3_п и время интегрирования Т3_и имеют другое обозначение. Величина рассогласования определяется следующим образом:

_ = _зад – _i.

Для того чтобы все переключения происходят безударно, предлагается следующий алгоритм действий системы в разных ситуациях. Рассмотрим ситуацию, когда PRF = 1. В этом случае канал F1 (расход F1) является ведущим. Расход F1 стабилизируется. А соотношение поддерживается изменением расхода F2. В этот момент регулятор стабилизации F2 отключен. Поэтому F2_зад = F2_i, то есть задание отслеживает текущее значение расхода. Регулятор по соотношению расходом F1 тоже отключен, поэтому _зад = _i, то есть задание отслеживает текущее значение соотношения.

На рис. 34 приведена упрощенная структура алгоритма управления соотношением (один из вариантов). Тут показана суть, а не подробная реализация.

Рис. 34. Структура регулятора соотношения

Следует отметить, что вся входная информация проверяется на достоверность. Текущие значения параметров с датчиков расхода и концентрации проверяются на обрыв, выброс или провал. Значения, не отражающие реальные значения технологического процесса, должны распознаваться и не поступать в систему регулирования. Системой игнорируется также ошибочный ввод оператором неверного задания. Неверным заданием считается задание, выходящее за допустимые границы.

При регулировании соотношения постоянно контролируют концентрации исходных продуктов на выходе реактора. Эти концентрации называют проскоками, и их значения при нормальном течении процесса должны находиться в заданных пределах. Допустим, расход F1 является ведущим, а расход F2 – ведомым. Проскок по первому реагенту С1_п превысил допустимую верхнюю границу , то есть , где 1 – погрешность измерительного канала С1_п. Допустим, что температура в реакторе не изменялась; в этом случае корректировка _зад осуществляется в сторону уменьшения (формулы (2), (4), (5)). Величина корректировки зависит от уравнения реакции, анализа статистических данных и опыта технолога. Запаздывание объекта управления по измерительным каналам определяет периодичность коррекции задания.

Для повышения точности и надёжности регулирования контролируется не только достоверность значений параметров, но и корректность ввода задания по соотношению. Кроме того, проверяется отработка сигналов регулирования исполнительными механизмами. При этом учитываются запаздывания по каналам регулирования, чтобы изменение расходов реагентов происходило перед реактором синхронно (одновременно), не нарушая соотношения реагентов. Такая синхронность исключает дополнительные возмущения в течение реакции.

Предложенный алгоритм был апробирован при регулировании соотношения растворов реагентов при приготовлении катализатора для процесса полимеризации и при регулировании соотношения изобутан-изобутиленовой фракции и формалина перед реактором синтеза диметилдиоксана на Волжском заводе синтетического каучука [10, 28, 29, 32, 35]. Сохраняя функции, регулятор соотношения можно реализовать по-другому. Для обеспечения заданной технологами точности поддержания соотношения следует уделять внимание не только алгоритмической и программной части, но и учитывать возможности аппаратной части. На этот момент, в частности, обращает внимание и Э. Парр [141].