litceysel.ru
добавить свой файл
  1 2 3 4 5
- это случайные изменения сигнала, вызванные внешними или внутренними факторами, например, температурой, давлением, напряжённостью магнитного поля Земли.


Однако, средства аналоговой техники имеют множество достоинств. Они характеризуются адекватностью отображения физических процессов и закономерностей, которые описываются непрерывными зависимостями. Это позволяет существенно упрощать принципиальные технические решения аналоговых устройств и систем; обладают оперативностью и простотой изменения режимов работы (часто достаточно изменить сопротивление резистора или ёмкость конденсатора, чтобы неустойчивый режим сменился на устойчивый или обеспечить заданный переходный процесс в устройстве); отсутствием необходимости в преобразовании аналоговых величин в дискретные.


2.3 Цифровое регулирование


Дискретными устройствами или устройствами дискретного действия называют такие, у которых входные, выходные и промежуточные сигналы характеризуются счётным множеством значений по уровню и существованием в определённые интервалы времени. Такие сигналы можно отобразить в той или иной позиционной системе исчисления (соответствующими цифрами, например, в десятичной системе исчисления либо в двоичной системе счисления). Двоичное представление сигналов нашло наибольшее применение в технике и в формальной логике при исчислении высказываний и при выводе умозаключений из нескольких посылок. Поэтому дискретные устройства называют логическими (по аналогии с формальной двоичной логикой) или цифровыми, принимая во внимание возможность описания их с помощью чисел позиционной системы исчисления.

Цифровые устройства: логические элементы; шифраторы и дешифраторы кодов; запоминающие элементы (триггеры); запоминающие устройства; арифметико-логические устройства; селекторы и генераторы импульсов; счётные устройства (счётчики импульсов); цифровые компараторы, коммутаторы дискретных сигналов; регистры; микросхемы специального назначения.

Достоинствами технических средств цифровой техники являются возможность программного управления, что увеличивает гибкость изменения структуры и алгоритма функционирования систем и позволяет упростить реализацию адаптивных законов управления; простота обеспечения заданной надёжности, точности и помехоустойчивости работы систем; простота обеспечения совместимости устройств с устройствами обработки информации в цифровой форме; высокая степень конструктивной и функциональной интеграции, универсальности с возможностью построения систем по типовым проектным решениям (это позволяет сокращать затраты на производство и эксплуатацию систем и устройств); возможность проектирования формальными логическими методами, что позволяет сокращать сроки проектирования устройств и даёт возможность изменения функций устройств (и систем на их основе) методами агрегатного построения в процессе эксплуатации.


Недостатки технических средств цифровой техники заключаются в необходимости преобразования аналоговых сигналов в дискретные (эти преобразования сопровождаются появлением погрешности и задержками во времени); относительной сложности изменения режимов работы (для этого необходимо менять структуру системы либо алгоритм её функционирования); сложности процессов анализа функционирования систем, как при проверке правильности их работы, так и при поиске возникающих неисправностей; большой функциональной сложности, что требует специальных диагностических устройств, которые изучаются в специальной области техники, называемой технической диагностикой.

В настоящее время при создании цифровых автомати­ческих систем возможно идти по двум направлениям.

Первое направление связано с использованием централь­ных управляющих цифровых вычислительных машин, построенных по обычному принципу. Такая машина содержит арифметическое устройство, устройства памяти (долговре­менной и оперативной), управляющее устройство и устрой­ства ввода и вывода информации. В некоторых случаях возможно участие человека (оператора) для контроля и корректировки работы машины. Подобные устройства могут использоваться для управления сложными объектами (самолетами, ракетами, прокатными станами, доменными печами) или группами отдель­ных объектов при комплексной автоматизации в различ­ных отраслях промышленности (металлургической, химической, нефтеперерабатывающей).

Второе направление, по которому развиваются в настоя­щее время цифровые автоматические системы, — это исполь­зование отдельных цифровых устройств для обеспечения необходимых вычислительных и логических опе­раций в каждом канале управления одномерной или мно­гомерной системы. Такие цифровые устройства могут строиться на разных принципах, однако общая структура цифровой системы управления сохраняет при этом свой вид и содержит основные элементы: преобразователи непрерывной величины в код и обратно, а также процессор, обеспечивающий необходимые вычис­лительные операции. Использование подобных цифровых устройств позво­ляет во многих случаях упростить систему управления за счет применения простых и надежных модулей и расположить цифровую вычислительную часть в непосред­ственной близости от основных элементов канала управ­ления.


Сравнительный анализ перечисленных достоинств и недостатков аналоговых и цифровых устройств даёт вывод в пользу технических средств цифровой техники. Поэтому в настоящее время цифровые устройства широко внедряются, казалось бы, в традиционные области аналоговой техники: телевидение, телефонную связь, в технику звукозаписи, радиотехнику, в системы автоматического управления и регулирования.


2.4 Релейное регулирование


Релейные автоматические системы широко применяются в различных областях техники, отличаясь простотой, а в ряде случаев и лучшими динамическими свойствами, чем иные типы систем автоматического управления. Они используются как в стационарных системах управления промышленного назначения, так и в системах управления подвижными объектами.

Существенная особенность этих систем – форма выходной величины релейного элемента не зависит существенно от формы его входной величины.

В релейных автоматических системах управляющее воздействие изменяется скачком всякий раз, когда управляющий сигнал проходит через некоторые фиксированные значения, называемые пороговыми.

В релейных автоматических системах усилитель (релейный элемент) представляет собой контактное или бесконтактное реле: электромагнитное, электронное, пневматическое.

Релейные автоматические системы могут обладать исключительно большим быстродействием вследствие того, что управляющее воздействие в них изменяется практически мгновенно и исполнительное устройство всегда подвержено максимальному постоянному воздействию. С другой стороны, такое интенсивное воздействие может явиться причиной возникновения незатухающих колебаний (автоколебаний). Появление автоколебаний во многих случаях нежелательно по той причине, что они могут нарушить заданный закон изменения регулируемой величины. Однако существуют релейные автоматические системы, в которых автоколебания являются основным рабочим режимом. К числу таких систем относятся вибрационные регуляторы.


Релейные автоматические системы можно разделить по осо­бенностям режима их работы на две группы. К первой группе относятся системы регулирования типа "от­крыто - закрыто" и вибрационные регуляторы. В этих системах регулирующий орган может занимать конечное число положений или состояний (обычно их два) соответствующих минимальному и максимальному значениям регулирующего воздействия. Вторая группа релейных автоматических систем охватывает системы с постоянной скоростью исполнительного устройства. В этих системах воздействие на регулирующий орган осуще­ствляется с постоянной скоростью или, точнее говоря, со ско­ростью, не зависящей от управляющего сигнала. В отличие от релейных автоматических систем первой группы автоколебания, которые обычно возникают в этих системах при отсутствии внешнего периодического воздействия, нежелательны, и их стремятся устранить, либо уменьшить до достаточно малой величины.


3 ВВЕДЕНИЕ


Одним из самых технологически важных процессов в целлюлозно-бумажном производстве является варка целлюлозы. Целью варки при производстве целлюлозы является удаление из древесины лигнина, связывающего волокна с помощью обработки щепы химикатами при повышенной температуре, что позволяет легко разделить щепу на волокна. При этом содержащие целлюлозу волокна необходимо сохранить, насколько это возможно, длинными и прочными. В процессе варки также пытаются удалить из древесины экстрактивные вещества, которые позже могут вызывать пенообразование и образовывать отложения на оборудовании в производственной линии.

Задачей варки также является подготовка целлюлозы к дальнейшей переработке. Целлюлозная масса после варки последовательно проходит промывку, сортирование, очистку и, при необходимости, отбелку.

От качества проведения варочного процесса зависит качество выпускаемой продукции, её экологическая безопасность и состояние окружающей среды.

После варки целлюлоза представляет собой суспензию волокон в отработанном щелоке.


В зависимости от используемых реагентов выделяют следующие способы варки: кислые (сульфитный и бисульфитный), щелочные (натронный и сульфатный), нейтральный способ (моносульфитный), ступенчатые и комбинированные.

Сульфатная варка целлюлозы может осуществляться периодическим или непрерывным методом. При периодической варке в каждом котле целлюлоза варится от начальной стадии до конечной, в варочном цехе в этом случае обычно устанавливается несколько котлов. При непрерывной варке щепа и химикаты непрерывно загружаются в верхнюю часть котла, полученная целлюлоза непрерывно разгружается из донной части котла, варочный котёл разделяется на зоны, в которых осуществляются различные стадии варки.

Периодическая варка целлюлозы широко при­меняется на отечественных и зарубежных предпри­ятиях. Общие преимущества варки целлюлозы в кот­лах периодического действия по сравнению с не­прерывным способом заключаются в простоте кон­струкции и надежности работы оборудования, лег­кости управления технологическим процессом, меньших потерях в выработке продукции при остановах оборудования, более простом переходе с одного вида сырья на другой.

Однако, в настоящее время непрерывный метод варки целлюлозы является более предпочтительным, так как позволяет повысить выход целлюлозы с одного метра кубического котла, значительно сократить размеры емкостей для щелоков, щепы и массы, сократить экономические затраты и затраты на энергию, улучшить экологическую обстановку. Именно поэтому в современном производстве целлюлозы все боль­шую роль играют варочные котлы непрерывного действия типа Камюр. Для варочных установок этого класса характерно неуклонное увеличение производительности, повышение качества выраба­тываемой продукции, совершенствование техноло­гии, аппаратурного оформления и систем управле­ния.

Старейшей, но наиболее общей конст­рукцией варочных установок Камюр является гид­равлический варочный котел с прямоточным дви­жением щепы и щелока в зонах пропитки и вар­ки, с противоточной горячей диффузионной промывкой и холодной выдувкой массы. В этом котле древесная щепа после предварительного пропаривания в пропарочной камере транспортируется с помощью насосов и ротационного питателя вы­сокого давления в верхнюю часть котла. Сюда же подается варочный щелок — смесь белого щелока с черным.


Варочный котел заполнен щепой и щелоком, на­ходится под гидравлическим давлением 1,3 МПа, создаваемым специальными насосами высокого дав­ления. Щепа под действием силы тяжести вместе с варочным щелоком движется сверху вниз и по мере движения последовательно проходит зону про­питки щелочью, зоны предварительного и конеч­ного нагрева до температуры варки, зону сульфат­ной варки, зону вытеснения горячего черного ще­лока, образовавшегося в процессе варки, зону го­рячей диффузионной промывки и зону выгрузки массы из котла.

Нагрев щепы осуществляется ще­локами, отбираемыми из котла через специальные сита в подогреватели и возвращаемыми обратно в котел циркуляционными насосами.

Промывной щелок подается в нижнюю часть котла, нагревается в подогревателе и движется навстречу опускающейся массе до зоны отбора щелока в испарительные циклоны.

Горячая диффузионная промывка весьма эффек­тивна и позво­ляет сократить промывное оборудование в отделе сортирования и промывки массы. Однако наличие зоны горячей диффузионной промывки существен­но увеличивает (до 70 м) высоту гидравличес­кого варочного котла.

В связи с этим на смену традиционным варочным котлам в конце были разработаны усовер­шенствованные варочные установки — гидравли­ческие котлы с двумя сосудами, которые объеди­няют преимущества непрямого нагрева щепы щелоком и увеличивают продолжительность стадий пропитки и варки в отдельных сосудах. Основное отличие этого варочного кот­ла от обычного гидравлического состоит в том, что стадия пропитки щепы щелоком осуществляется в отдельной колонне под высоким гидравлическим давлением. За счет более интенсивной пропитки щепы в выносной пропиточной колонне и увеличения времени варки в самом варочном котле по сравнению с обычным гидравлическим котлом, в котором и пропитка и варка осуществляются в одном сосуде, удалось решить проблему дальней­шего увеличения производительности без заметного увеличения вы­соты котла.

Параллельно с разработкой нового обо­рудования варочных котлов идет и совершенствование технологий непрерывной варки. Наиболее интересными особенностями этих техно­логий являются минимизация концентрации растворенных органических веществ в варочном щелоке на ста­дии основной делигнификации и в конце варки, поддержание как можно более равномерного профиля концентрации эффективной щелочи по высоте варочного котла и проведение варочного процесса при макси­мально возможном времени варки и минимально возможной температуре.


Использование указанных технологий по срав­нению с технологией обычной прямоточной варки способствует повышению селективности варочного процесса, соответствующему снижению степени де­лигнификации целлюлозы и повышению ее выхода. В результате вырабатывается целлюлоза с большей сохранностью углеводов и лучшей способностью к отбелке кислородом и озоном, что позволяет исключить из схем отбелки целлюлозы молекулярный хлор, яв­ляющийся основным источником загрязнения при­роды.

Варочные котлы Камюр — это сложнейшие мно­госвязные объекты управления, нормальное функ­ционирование которых возможно лишь при поддержании основных параметров процесса варки целлюлозы в достаточно узких пределах. При экс­плуатации и в процессе управления возникает мно­жество различных проблем, обусловленных особен­ностями технологии и аппаратурного оформления.

Процесс непрерывной сульфатной варки целлюло­зы протекает в движущейся среде щепы и варочно­го щелока. Поступающая в котел щепа насыщает­ся щелоком, и ее плотность становится выше плот­ности окружающего щелока, образуя в соответствии с формой котла вер­тикальный столб пористой структуры с определен­ными физическими свойствами. Этот столб древес­ного материала движется сверху вниз по котлу подобно поршню в потоке жидкости. Под действием силы тя­жести и увеличения давления выше расположенных слоев щепы происходят сжатие и уплотнение столба щепы в нижней его части. В результате уплотнения древесного материала изменяется и скорость его дви­жения по высоте котла. Скорость верхней части стол­ба щепы существенно отличается от его нижней час­ти и примерно в два раза больше ее. Кроме того, на ситах нагревательных циркуляций и отбора щелока в испарительные циклоны, где основная масса жидкой фазы движется в радиальном на­правлении — от центра котла к периферии, столб щепы испытывает значительную силу трения, ко­торая зависит от состояния поверхности сит, плот­ности слоев щепы в этих участках котла, расхода щелока в циркуляциях. При забивании сит дре­весной мелочью возрастает сопротивление движе­нию столба щепы. При этом скорость его движения может снизиться до нуля. Все эти факторы создают большие трудности для под­держания устойчивой гидродинамики котла при нарушениях материального баланса между поступ­лением щепы в котел и выдувкой массы. К процес­су движения щепы предъявляются следующие ос­новные требования: движение должно быть устойчивым во всех точках котла и максимально стационарным; уровень щепы в котле должен находиться в нормальных пределах показаний датчиков уровня щепы, так как чрезмерное повышение уровня перегружает загрузочные устройства котла, а пониже­ние может привести к нарушению движения щепы; не допускается большая плотность массы вни­зу котла, так как при этом перегружается разгру­зочное устройство.


Сложный многоступенчатый процесс непрерыв­ной варки целлюлозы подвержен действию некон­тролируемых возмущений со стороны изменений показателей качества используемой щепы и соста­ва варочного щелока, стабильное состояние кото­рых на производстве бывает крайне редко. В ре­зультате нарушаются начальные условия термо­химической обработки щепы, которые приводят к изменению качества вырабатываемой целлюлозы.

В варочных котлах Камюр имеют место значи­тельные запаздывания между моментами изменений параметров и результатами их изменений, что мо­жет быть причиной создания неясных ситуаций при оперативном управлении технологией варки, так как к моменту изменения качества целлюлозы на выхо­де из котла причина, вызвавшая его, может исчез­нуть. В итоге затрудняется накопление практиче­ского опыта из-за невозможности установить одно­значное соответствие между причиной и следствием. Отсутствие точных сведений о причинах изменения качества целлюлозы, большое динамическое запаз­дывание, обусловленное временем прохождения щепы и щелока по различным зонам варочного котла и задержкой в определении качества целлюлозы в ла­боратории, приводят к тому, что решения при уп­равлении технологическим режимом варки прини­маются несвоевременно и бывают ошибочными.

На практике по разным причинам часто прихо­дится изменять производительность варочного кот­ла в достаточно широких пределах. Перевод котла на новую производительность ввиду его конструк­тивных особенностей сопровождается выработкой некондиционной целлюлозы в переходном режиме. Чтобы предотвратить изменение степени делигнификации целлюлозы при смене производительнос­ти, необходимо упреждающее и скоординирован­ное во времени управление всеми основными пара­метрами технологического режима. Реализация та­кого управления — далеко не простая задача.

Существенную помощь обслуживающему персо­налу в преодолении перечисленных проблем управ­ления варочными котлами Камюр оказывают автоматизированные системы управления, создаваемые на базе современных технологий ав­томатизации.


В России, как и во всем мире, основной объем технической целлюлозы производится в варочных котлах типа Камюр ввиду их технических и экономических преимуществ по сравнению с котлами периодической варки целлюлозы и другими варочными установками непрерыв­ного действия. Все варочные котлы были запущено в эксплуатацию до 1980 года. Это в основном гидравлические однососудные котлы с диффузионным отбором щелока или с зоной горячей диффузионной промывки. Неболь­шое количество из них было модифицировано в двухсосудные варианты с пропиточными колонна­ми, с варкой целлюлозы в парожидкостной фазе с исполь­зованием традиционной технологии с прямоточным движением щепы и щелока в зонах пропитки и варки и с противоточной диффузионной промыв­кой. Что касается наиболее современных и технически совершенных двухсосудных гидравлических котлов, то они в нашей стране отсутствуют.

Поэтому в данной расчётно-графической работе рассматривается вариант автоматизации двухсосудной варочной установки типа Камюр, работающей по традиционной технологии.


4 ПРИНЦИПЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ ВАРОЧНЫХ КОТЛОВ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ


Стратегия управления варочными котлами не­прерывного действия сводится к необходимости стабилизации и координированного изменения трех основных переменных процесса варки целлюлозы: продолжительности варки; концентрации эффективной щелочи в зоне варки; температуры варки.

Автоматическая стабилизация этих переменных при стационарных режимах работы варочного кот­ла и скоординированное во времени изменение их в переходных режимах при изменении производи­тельности, смене сорта целлюлозы и породы древе­сины обеспечивают минимальные отклонения по­казателей качества вырабатываемой целлюлозы от заданных значений.

Продолжительность пропитки, время варки оп­ределяются скоростью перемещения щепы по ва­рочному котлу. Время пропитки и варки обратно пропорционально производительности котла. От времени варки также зависит степень делигнифи­кации целлюлозы. Поэтому при управлении про­цессом этот параметр нельзя менять произвольно. Для того чтобы обеспечить однородность качества целлюлозы при заданной производительности, вре­мя пропитки и варки щепы в котле должны быть неизменными. Это условие выполняется, если под­держивать постоянным уровень щепы в котле. Только при этом условии соблюдается материаль­ный баланс между подачей щепы и выгрузкой мас­сы из котла, а следовательно, не изменяются во времени скорость, продолжительность прохожде­ния щепы по различным зонам варочного котла и заданная производительность. В противном случае варочный котел работает в переходных режимах, когда количество выдуваемой массы не соответствует количеству загружаемой щепы, а скорость движе­ния и продолжительность нахождения древесного материала в различных зонах котла не остаются постоянными во времени, что и является одной из главных причин изменения степени делигнификации целлюлозы.


Время варки целлюлозы зависит также от дли­ны зоны варки. Начало варки создается в том мес­те котла, где температура смеси щепы с варочным щелоком доводится до конечной температуры вар­ки. Конец зоны располагается в том сечении, где активная щелочь уже в значительной мере израс­ходована на реакции делигнификации, а масса ох­лаждается промывным щелоком до температуры, при которой процесс варки протекает очень мед­ленно. Положение нижней границы зоны варки зависит, таким образом, от величины потока ох­лаждающего щелока в зоне диффузионной промыв­ки, т. е. от фактора разбавления. Следовательно, чтобы зафиксировать строгое положение нижней границы зоны варки, необходимо стабилизировать фактор разбавления. Стабилизация его необходи­ма и для поддержания требуемой степени промыв­ки массы в котле.

Интенсивность процесса делигнификации при сульфатной варке зависит также от концентрации активных реагентов в варочном щелоке. Скорость растворения лигнина пропорциональна концентра­ции активной (эффективной) щелочи в зоне варки. Поэтому важной задачей управления является ста­билизация начальных условий пропитки и варки щепы по концентрации щелочи. Начальная кон­центрация активной щелочи в варочном котле оп­ределяется двумя факторами: расходом активной щелочи на варку и гидромодулем. Следовательно, для создания стабиль­ной начальной концентрации щелочи необходимо поддерживать постоянными задаваемые расход ак­тивной щелочи и гидромодуль в зоне загрузки щепы.

В варочных котлах непрерывного действия щепа подается через объемные дозаторы, обладающие погрешностью в дозировке древесины. Погреш­ность возрастает в тех случаях, когда такие пока­затели щепы, как плотность, фракционный состав, состав щепы по породам, изменяются во времени. На производстве стабильное состояние показате­лей качества щепы очень часто нарушается.

Температура варки является одним из важней­ших факторов варочного процесса, влияющих на качество и выход целлюлозы. Кроме того, этот параметр обладает наибольшим быстродействием на степень делигнификации целлюлозы по сравне­нию с другими каналами воздействия. Поэтому температура варки используется в качестве основ­ного управляющего воздействия для стабилизации степени делигнификации целлюлозы. Коррекция температуры варки осуществляется как по прямой связи — упреждающим изменением температуры при изменении производительности котла и сорта целлюлозы, так и по обратной связи — по отклонению анализов степени делигнификации целлю­лозы от заданного значения.


5


<< предыдущая страница   следующая страница >>