Разработка и исследование информационно-измерительной системы для управления процессом абсорбции

В" промышленности широко-распространены процессы абсорбции. Они применяются для> получения готового продукта, для выделения ценных компонентов из газовых смесей, для очистки газовых выбросов от вредных примесей, а также для осушки газов. Аппараты, в которых протекают процессы абсорбции (абсорберы), представляют собой крупногабаритные цилиндрические колонны, в которых происходит контакт газовой смеси и абсорбента. При этом один из компонентов смеси растворяется в абсорбенте и в дальнейшем может быть выделен в чистом виде.

Абсорбер как объект управления представляет собой сложную техническую систему, обладающую большой инерционностью. Система управления процессом абсорбции может быть разбита на ряд локальных контуров регулирования: температуры газовой! смеси, давления в колонне, уровня, насыщенного, абсорбента, количества подаваемого в колонну абсорбента и другие.

Известно большое количество различных способов управления процессами абсорбции. Одним из них является способ [1]- направленный на повышение эффективности протекания процесса абсорбции, основанный < на использовании обобщенного показателя — степени насыщения абсорбента. Для реализации указанного способа необходимо обеспечить измерение текущего значения степени насыщения, для чего требуется информационно-измерительная система, являющаяся частью системы управления.

Таким образом, актуальной* является работа по созданию* системы измерения степени насыщения абсорбента для управления процессом абсорбции и анализ ее метрологических характеристик для повышения точности измерений.

Многие исследователи отмечают, что для измерительных систем, применяемых в системах управления технологическими процессами, динамическая составляющая погрешности может достигать достаточно больших значений. Так какзначение методической динамической погрешности измерительных систем может быть снижено путем подбора, оптимальных параметров настройки компонентов, измерительных каналов без* изменения аппаратной' структуры систем, то важным является анализ именно динамической составляющей погрешности.

Измерительнаяинформация, которой оперируют измерительные системы, применяемые в системах, управления технологическими процессами, является? стохастической, поэтому наиболее подходящими для анализа и построения метрологических характеристик таких измерительных систем являются статистические методы.

Анализ* литературных источников1 показал, что известные: модели динамических погрешностей' измерительных систем не соответствуют структуре рассматриваемой системы с дробно-нелинейным взаимодействием измеряемых сигналов и компенсацией динамическихсвойств объекта измерения. Поэтому, целью' работыявляется создание измерительной системы для управления процессом абсорбции и анализ ее метрологических характеристик для снижения методической динамической погрешности системы- :

Для достижения поставленной целибыли решены> следующие задачи:

Г. Проведенанализ аппаратов и процессов абсорбции, анализ систем автоматического управления процессами абсорбции, а также метрологических характеристик измерительных систем.

2. Разработано уравнение измерения степени? насыщения * абсорбента^ учитывающее динамические свойства объекта изхмерения.

3. Разработана система для измерения степенинасыщения абсорбента:

4. Построены иг проверены на адекватность математические модели метрологических характеристик: измерительной системы.

5. Проведено исследование зависимости метрологических характеристик от значений параметров настройки измерительной системы.

6. Разработана и опробована методика снижения методической динамической погрешности обработки информации в измерительной системе, основанная на предложенных моделях погрешности.

7. Рассмотрены переходные процессы и качество управления процессом абсорбции при использовании алгоритмов управления по степени насыщения абсорбента.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы теории случайных функций, теории линейных и нелинейных цепей и сигналов, теории автоматического управления, а также метод имитационного моделирования.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Предложено уравнение измерения текущего значения! степени насыщения абсорбента, учитывающее динамические свойства объекта измерения и предназначенное для реализации способа управления процессом абсорбции.

2. Предложены математические модели формирования методической динамической погрешности в программно-аппаратной измерительной системе при действии на систему помех типа «белый шум» и помех с корреляционной функцией экспоненциального вида при измерении степени насыщения абсорбента по уравнению, учитывающему динамические свойства объекта-измерения.

3. Предложена методика снижения методической динамической погрешности в программно-аппаратной системе для измерения степени насыщения абсорбента, основанная на предложенных моделях погрешности.

Практическая значимость работы. Основные результаты диссертационного исследования, имеющие практическую значимость, заключаются в следующем:

1. Разработана система измерения степени насыщения абсорбента, состоящая из полевого изменяемого прибора и пакета прикладных программ для обеспечения его функционирования.

2. Разработан пакет прикладных программ для имитационного моделирования метрологических характеристик системы для измерения степени насыщения абсорбента.

3. Разработан стенд для диагностики программного обеспечения и измерительных каналов многофункциональных систем контроля и управления. Стенд применяется в учебном процессе на кафедре «Автоматизации технологических процессов и производств» филиала ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введенияпяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

5.5 Выводы.

Расчеты показывают, что применение математических моделей метрологических характеристик для определения значений настроечных коэффициентов измерительных каналов системы управления процессом абсорбции в процессе производства сероуглерода позволяет существенно снизить значение методической динамической составляющей погрешности измерения степени насыщения абсорбента и уменьшает итоговую погрешность практически в два раза (с 7,6% до 4,0%).

Характер зависимостей методической динамической погрешности от параметров настройки измерительной системы позволяет сформулировать методику снижения динамической погрешности измерительной системы.

Снижение погрешности измерения степени насыщения абсорбента за счет компенсация динамических свойств абсорбера в измерительном канале приводит к уменьшению времени регулирования и величины перерегулирования и позволяет существенно повысить качество управления процессом абсорбции.

Результаты моделирования переходных процессов в системе при использовании способа управления по степени насыщения абсорбента показывают, что способ является работоспособным и может применяться в промышленности для управления процессами абсорбции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В промышленности широко используются процессы абсорбции. Абсорбер как объект управления представляет собой сложную техническую систему. В работе [1] предложен новый способ управления абсорбционной установкой, направленный на повышение эффективности протекания процесса абсорбции и основанный на использовании обобщенного показателя — степени насыщения абсорбента. Для реализации указанного способа необходимо обеспечить измерение текущего значения степени насыщения, для чего требуется информационно-измерительная система, являющаяся частью системы управления.

Так как для измерительных систем, применяемых в системах управления технологическими процессами, динамическая составляющая погрешности может достигать достаточно больших значений и может быть снижена, путем подбора оптимальных параметров настройки компонентов измерительных систем без изменения аппаратной структуры систем, то важным является<�анализ именно динамической составляющей погрешности.

Анализ литературных источников показал, что известные модели динамических погрешностей измерительных систем не соответствуют структуре рассматриваемой системы с дробно-нелинейным взаимодействием измеряемых сигналов.

Актуальной является задача создания системы измерения степени насыщения абсорбента для управления процессом абсорбции и анализ ее метрологических характеристик для определения параметров настройки системы, обеспечивающих максимальную точность измерений.

В результате проведенного диссертационного исследования были получены следующие результаты:

1. Предложено уравнение измерения текущего значения степени насыщения абсорбента, учитывающее динамические свойства объекта измерения (2.32).

2. Получены математические модели измерительной информации для двух технологических процессов абсорбции: цианистого натрия и сероуглерода.

3. Построены модели метрологических характеристик измерительной системы для определения степени насыщения абсорбента.

4. Полученные модели (2.80) и (2.81) определяют дисперсию показаний программно-аппаратного измерительного канала в случае действия помех типа «белый шум» и помех с корреляционной функцией экспоненциального вида с учётом динамических свойств объекта измерения и дробного взаимодействия измеряемых сигналов в уравнении измерения.

5. Полученное выражение (2.85) определяет взаимную корреляционную функцию показаний эталонного и программно-аппаратного измерительных каналов с учётом динамических свойств объекта измерения и дробного взаимодействия измеряемых сигналов в уравнении измерения.

6. Полученные выражения (2.89) и (2.90) определяют дисперсию методической динамической погрешности системы для измерения степени насыщения абсорбента с учётом динамических свойств объекта измерения и дробного взаимодействия измеряемых сигналов в уравнении измерения. Модели могут быть использованы для определения значений настроечных коэффициентов системы в случае, когда в качестве верхней оценки воздействующих помех можно применить аппроксимацию свойств помех сигналом типа «белый шум» и когда корреляционные функции помех могут быть аппроксимированы экспоненциальной зависимостью.

7. Методическая динамическая погрешность измерительной системы является центрированной случайной функцией, зависящей от статистических характеристик измерительной информации, а также от значений настроечных коэффициентов измерительной системы.

8. На основе результатов анализа зависимостей методической динамической погрешности измерительной системы от параметров работы системы построена методика снижения методической динамической погрешности системы измерения-степени насыщения абсорбента.

9. Для определения текущего значения степени насыщения абсорбента I была разработана программно-аппаратная измерительная' система, состоящая из изменяемого полевого прибора и пакета прикладных программ для обеспечения его функционирования.

10. Для проверки работоспособности измерительной системы и адекватности построенных математических моделей методической динамической погрешности измерения степени насыщения абсорбента была разработана программно-аппаратная экспериментальная установка.

11. Экспериментально доказано, что построенные модели адекватно описывают зависимость методической динамической составляющей погрешности измерения степени насыщения абсорбента от параметров измерительной информации и значений настроечных коэффициентов измерительной системы.

12. На основе методики снижения методической динамической погрешности измерительной системы были найдены значения параметров измерительных систем, применяемых в системах управления процессами абсорбции цианистого натрия и сероуглерода, обеспечивающие снижение методической динамической погрешности: Показано, что применение предложенной методики снижения методической динамической погрешности измерительной системы для процесса производства сероуглерода позволяет существенно снизить значение методической" динамической составляющей погрешности измерения степени насыщения абсорбента, что уменьшает итоговую погрешность практически в два раза (с 7,6% до 4,0%).

13. Рассмотрены результаты моделирования переходных процессов в системе при использовании способа управления по степенинасыщения абсорбента. Показано, что предложенный в работе [1] способ управления абсорбером по степени насыщения абсорбента является работоспособным.

Таким образом, на защиту выносятся:

1. Уравнение измерения текущего значения степени насыщения абсорбента, учитывающее динамические свойства объекта измерения и предназначенное для реализации способа управления процессом абсорбции.

2. Математические модели формирования методической динамической погрешности в программно-аппаратной измерительной системе при действии на систему помех типа «белый шум» и помех с корреляционной функцией экспоненциального вида при измерении степени насыщения абсорбента по уравнению, учитывающему динамические свойства объекта измерения.

3. Методика снижения методической динамической погрешности в программно-аппаратной системе для измерения степени насыщения абсорбента, основанная на предложенных моделях погрешности.

4. Программно-аппаратная система для измерения степени насыщения абсорбента, состоящая из полевого изменяемого прибора и пакета прикладных программ для обеспечения его функционирования.