CC BY
59
Также выявлено, что при активном взаимодействии с металлическим расплавом электрохимическое растворение частиц TiB2 начинается уже на стадии формирования капли на торце проволоки. При переходе капель в металлическую ванну вследствие понижения температуры и интенсивности конвекции в ней скорость растворения частиц TiB2 замедляется. Нерастворившиеся частицы служат центрами кристаллизации, вокруг которых образуются крупные первичные кристаллиты других боридов и карбоборидов [3]. После кристаллизации расплава в металле формируется структура металлокерамики, армированной частицами TiB2 (рис. 2, д), с твердость 52-54 HRC и коэффициентом относительной износостойкости 9,2. Высокая износостойкость наплавленного покрытия обусловлена большим (до 92 об. %) объемным содержанием в нем твердых упрочняющих фаз, способствующих созданию гетерогенной структуры искусственного композита.
Выводы
Использование при ЭШН двухконтурной схемы электропитания ТПК и полых графитовых электродов постоянным током, а также электронейтральной ПП с порошком TiB2 в составе наполнителя обеспечивает бездефектное формирование на горизонтальной поверхности тонкого слоя наплавленного металлокерамического сплава, обладающего повышенной стойкостью к абразивному изнашиванию.
Литература
1. Электрошлаковая наплавка торцевых поверхностей изделий с использованием двухконтурной схемы питания шлаковой ванны / И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, А.А. Артемьев, В.И. Лысак // Автоматическая сварка. - 2008. - № 1. - C. 12-16.
2. Формирование высокотемпературных областей в шлаке при электрошлаковой наплавке / И.В. Зорин, Г.Н. Соколов, А.А. Артемьев, В.И. Лысак // Сварка и диагностика. - 2009. - № 3. - C. 39-43.
3. Артемьев, А.А. Влияние микрочастиц диборида титана и наночастиц карбонитрида титана на структуру и свойства наплавленного металла / А.А. Артемьев, Г.Н. Соколов, В.И. Лысак // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2011. -№ 12. - С. 32-37.
Белоглазов ИИ
Кандидат технических наук, национальный минерально-сырьевой университет «горный» СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
SCADA-СИСТЕМЫ GENESIS
Аннотация
В последние годы ускоренными темпами увеличивается потенциал российских компаний нефтегазового комплекса, появляются новые инвестиционные проекты по разведке и добыче углеводородов, расширяются рынки сбыта российской нефти и газа, совершенствуется и развивается трубопроводный транспорт, резервуарный парк хранилищ нефти, нефтепродуктов и сжиженного газа, ряд крупных компаний создают свой собственный транспортный флот, строятся новые порты по перевалке углеводородов.
Продукция нефтегазового комплекса должна быть конкурентоспособной на внутреннем и внешнем товарных рынках. В этой связи, как за рубежом, так и в России понимают необходимость использования современных технологий на различных уровнях управления и особенно на самом нижнем — уровне технологических процессов. Эффективное управление позволит повысить качество продукции и уменьшить общие затраты.
Многообразие современных технологий и средств автоматизации, сложность задач автоматизации ведут к неоднозначности в подходах к их решению. В этой статье рассмотрена технологическая схема АСУ ТП ректификации тарельчатых колонн на базе SCADA-системы GENESIS32.
В качестве экспериментальной базы была использована лабораторная установка тарельчатых ректификационных колонн объеденная с автоматизированной системой управления, так же включающий в себя систему пробоотбора и аналитическим оборудование, позволяющим производить полный анализ рабочих смесей.
Целью исследования была задача создания системы оптимального управления ректификацией с использованием математической модели процесса, полностью компенсирующей возмущающие воздействия и дальнейшее последующее моделирование процесса с использованием SCADA-системы на лабораторной установке.
Предложенный в статье метод управления процессом ректификации в колонне тарельчатого типа позволит своевременно обнаруживать нестандартные ситуации при работе системы и принимать необходимые меры по их нейтрализации, что в конечном итоге позволит улучшить качество продукта, увеличить производительность установки, сэкономить энергоресурсы.
Ключевые слова: Ректификация, SCADA-система, системы автоматического управления, оптимальное управление.
Beloglazov I.I
PhD in technical science, university of mines
IMPROVING PROCESS AUTOMATION SOLUTION FOR OIL AND GAS SCADA SYSTEM «GENSIS»
Abstract
In recent years rapidly increasing potential of Russian oil and gas companies, new investment projects for hydrocarbon exploration and production, expand markets for Russian oil and gas, improved and developed pipeline, tank farm storage of oil and liquefied natural gas, a number of large companies create its own transport fleet and building new ports for transshipment of hydrocarbons.
Production oil and gas industry must be competitive in domestic and foreign trade markets. In this regard, both abroad and in Russia understands the need to use modern technology at different management levels and especially at the lower - level processes. Effective management will improve product quality and reduce overall costs.
Diversity of modern technology and automation, the complexity of automation tasks lead to ambiguity in the approaches to their solution. This article examines the technological scheme APCS distillation tray columns based SCADA- system GENESIS32.As an experimental base was used laboratory setup Belleville distillation columns merged into an automated control system, also includes a system of sampling and analytical equipment, enabling them to complete the analysis of the working mixtures.
The aim of the study was the task of creating a system of optimal control rectification using a mathematical model of the process, fully compensating disturbances and further subsequent modeling process using SCADA- system in a laboratory setting.
The proposed control method in an article in the column distillation process poppet type will allow timely detection of non-standard situations in the system and take the necessary measures to neutralize them, which ultimately will improve product quality, increase plant productivity, save energy resources.
Keywords: Rectification, SCADA- system, automatic control systems, optimal control.
Введение
Автоматизация процесса ректификации представляет собой сложную практическую задачу вследствие большого числа различных взаимосвязанных параметров, со сложной и недостаточно изученной динамикой процесса. К тому же ректификационная колонна - объект управления со значительной инерционностью и временем запаздывания по каналам управления [1].
Сегодня значительно расширились возможности автоматизации, контроля и регулирования процесса ректификации. Использование контроллеров и SCADA-системы в качестве центрального управляющего органа позволяет учесть более широкий спектр технологических требований и повысить надежность поддержания оптимального технологического режима.
9
Целью исследования была задача создания системы оптимального управления ректификацией с использованием математической модели процесса, полностью компенсирующей возмущающие воздействия [2] и дальнейшее моделирование процесса с использованием SCADA-системы на лабораторной установке. Целью управления является поддержание заданного состава целевого продукта.
Анализ технологического процесса как объекта управления.
Основными регулируемыми технологическими величинами являются составы дистиллята, кубового остатка. На чистоту этих целевых продуктов оказывает влияние ряд возмущающих воздействий процесса - состав сырья, давление в колонне, а так же другие величины [3].
Основные управляющие воздействия - расходы флегмы в колонну и температура термостата. Причем изменение расхода флегмы относительно быстро приводит к изменению состава дистиллята и одновременно с большим запаздыванием и в значительно меньшей степени - к изменению состава кубового остатка. Изменение же температуры термостата приводит в основном к изменению состава кубового остатка; состав флегмы при этом изменяется намного слабее.
Применительно к непрерывному процессу ректификации поддержание заданного по технологическому регламенту состава целевого потока является целью управления процессом. Состав потока, не содержащего целевого продукта, может меняться в определенных пределах вследствие изменения состава и скорости подачи исходного питающего потока. Возмущения по составу и расходу питающей смеси приводят к изменению давления, температуры, состава жидкости и паров в колонне. Но эти возмущения являются контролируемыми и могут быть учтены при реализации задач оптимального управления.
Наиболее сложным случаем управления ректификационной установкой является случай, когда целевыми потоками являются как поток дистиллята, так и поток кубовой жидкости. В таком случае требуется поддерживать заданный состав обоих потоков, а воздействие на состав кубовой жидкости или косвенно на ее температуру приводит к возмущению состава дистиллята через изменение температуры термостата, наоборот, воздействие на расход флегмы с целью стабилизации состава дистиллята влияет на состав кубовой жидкости. Взаимное влияние управляющих воздействий по обоим каналам на управляемые параметры вызывает дестабилизацию режима работы ректификационной колонны [6].
Трудности в одновременной стабилизации состава кубовой жидкости и дистиллята могут быть преодолены двумя способами. Первый способ состоит в автономном регулировании обоих параметров путем воздействия не только по основному каналу регулирования, например изменением температуры термостата, но и компенсируя возмущение по перекрестному каналу, например изменением расхода флегмы. Настроить такие контуры регулирования при соблюдении полной автономности довольно трудно. Второй способ состоит в управлении по возмущению с использованием математической модели тарельчатой ректификационной колонны. Технологическая схема лабораторной установки разработана в SCADA-системе GENESIS32 и представлена на рис. 1.
Управление предполагается вести следующим образом. Датчики расхода (FL139 на насосе H201) и значение состава QT (полученное в данной работе на аналитическом оборудовании) питающего потока (эти величины являются основными возмущающими воздействиями) измеряют текущие значения технологических параметров. Унифицированный выходной сигнал с датчика поступает на аналоговый вход контроллера. Значение аналогового сигнала преобразуется в цифровой код, а затем в значение технологического параметра. Для измеренных текущих значений расхода и состава питающего потока с помощью математической модели рассчитывается температура на термостате и расход флегмы (управляющие воздействия), при которых обеспечиваются требуемые составы кубовой жидкости в емкость Е103 и дистиллята в Е105. Требуемый расход флегмы выдается в качестве задания насосу H102 расхода флегмы, а требуемое значение температуры на термостат ТТ102.
Рис. 1. Технологическая схема тарельчатых ректификационных колонн Основные обозначения (рис. 1): K101 - K102 - ректификационная колонны, ТТ101 - ТТ102 - термостаты, Т101-Т107 -дефлегматоры; H101-H102 насосы, FI140, FI139, FL133 - датчики расхода флегмы, расхода исходной смеси, расхода дистелята соответственно, E101 - E105 - емкости для сбора технологических жидкостей, LI121 -уровень кубовой жидкости.
Показателями качества управления могут быть такие свойства системы управления, как, например, точность поддержания заданного режима работы объекта управления, время достижения цели управления, значение максимальной ошибки в определенном режиме функционирования, надежность безотказной работы, производительность и качество выпускаемой продукции, затраты сырья или электроэнергии, себестоимость продукции, мощность используемого оборудования и т.д. Конкретизация обобщенного показателя качества в общей теории оптимальных систем не осуществляется и проводится в каждой
10
частной задаче индивидуально. Наиболее часто обобщенный показатель качества представляет функционал, и его можно описать в форме интегрального соотношения [8]:
J = //о G(U(t) , Y(t),F(t),X(t), t) dt (1)
где U(t) - управление, Y(t) - управляемый процесс, F(t) - возмущения, X(t) - задающее воздействие, t - время.
Функция G определяет конкретный физический смысл показателя качества. Введение показателя (1) позволяет сформулировать задачу оптимального управления.
Задача оптимального управления заключается в следующем: в области допустимых управлений Q(U) следует найти такое допустимое управление U(t), при котором показатель качества (1) при заданных F(t), X(t) достигает экстремального значения:
J = extremum, U(t) е Q(U) (2)
а объект управления переводится из начального состояния Y(t0) в конечное Y(T) е Q1, оставаясь в области допустимых состояний Y(t) е Q(Y) при всех t е [t0, t]. Условие (2) называют критерием оптимальности.
Критерий оптимальности в нашем случае - состав выходных целевых потоков (кубовой жидкости Xw и дистиллята Xd), заданный технологическим регламентом.
Для контроля двух составов необходимо использовать комплексный показатель. Его определяют обычно с помощью функции желательности [7].
Рассмотрим построение функций желательности для ограничений:
Xd> 0.96 (3)
Xw < 0.04 (4)
Функция желательности d1 относится к ограничению (3), dd=1 (желательная функция), если ограничение (3) выполняется, и dd=0, если ограничение (3) не выполняется. С точностью до 0.01 функция желательности d1 определяется по следующей логической схеме:
Если Xd <0.94, то di=0; если Xd >0.96, то d1=1;
если Xd >0.94 и Xd <0.96, то d1=( Xd -0.94)/0.02.
Аналогично d1 вводим функцию желательности d2, контролирующую выполнение ограничения (4). Величина d2 определяется по следующей логической схеме:
Если Xw <0.04, то d2=1; если Xw >0.06, то d2=0;
если Xw >0.04 и Xw <0.06, то d2=(0.06- Xw)/0.02.
Графически функции желательности d1 и d2 представлены на рис. 2.
Комплексный показатель, контролирующий выполнение обоих ограничений (3) и (4), может быть представлен как геометрическое среднее частных функций желательности:
D = • d2 (5)
Если удается добиться того, чтобы D=1, то выполняются оба ограничения по составу выходных потоков процесса ректификации. Оптимизационная задача управления процессом состоит в определении значений расхода флегмы и производительности кипятильника, при которых D=Dmax.
Для решения поставленной задачи используется математическая модель процесса ректификации в колонне тарельчатого типа, которая состоит из системы уравнений, определяющей распределение концентрации в потоках пара и жидкости по высоте колонны [5]. Для построения модели вся колонна высотой H разбивается на бесконечно малые элементы величиной dh, и для каждого такого элемента записываются: основное уравнение массопередачи [4] (для жидкой и паровой фаз, для укрепляющей и исчерпывающей частей колонны), рассчитываются мольные доли легколетучего компонента в жидкой и паровой фазах на каждом элементарно малом участке насадки. В результате итерационного метода решения данной системы уравнений находим реальные значения концентраций кубовой жидкости и дистиллята при определенных условиях работы колонны. И в математическом обеспечении системы управления закладывается эта модель с применением метода сканирования к определению оптимального режима работы колонны.
Разработанная математическая модель, может быть использована для управления процессом ректификации по возмущению. Для измеренных значений расхода питающего потока и его состава (возмущающие воздействия) рассчитываются оптимальные значения расхода флегмы и температуры термостата (управляющие воздействия), при которых обеспечиваются заданные составы кубовой жидкости и дистиллята. Найденное значение расхода флегмы выдается в качестве задания насосу подачи флегмы, а найденная температура посылает задание на термостат.
Таким образом, предложенный алгоритм оптимального управления процессом ректификации в колонне тарельчатого типа позволит своевременно обнаруживать нестандартные ситуации при работе системы и принимать необходимые меры по их нейтрализации, что в конечном итоге позволит улучшить качество продукта, увеличить производительность установки, сэкономить энергоресурсы.
Литература
1. Анисимов И.В. Автоматическое регулирование процесса ректификации. - Изд. 2-е. - М. : Гостоптехиздат, 1961. - 178 с.
2. Песков Н.П. Система оптимального управления ректификацией этаноламинов с использованием математической модели процесса // Современные проблемы науки и образования. - 2011. - № 6
11
3. Дудников Е.Г. Автоматическое управление в химической промышленности. - М. : Химия, 1987. - 312 с.
4. Кафаров В.В. Основы массопередачи. - М. : Химия, 1975. - 285 с.
5. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств : учеб. пособие. -М. : Высш. шк., 1991. - 277 с.
6. Мончарж Э.М. Постановка задач автоматизации технологических процессов. -Н. Новгород, 2003. - 87 с.
7. Холоднов В.А., Дьяконов В.П. Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов : практ. руководство. - СПб.: Профессионал, 2003. - 312 с.
8. Чураков Е.П. Оптимальные и адаптивные системы : учеб. пособие для вузов. - М. : Энергоатомиздат, 1987. - 256 с.
9. Ермоленко, А.Д. Автоматизация процессов нефтепереработки: уч. пос./ СПб.: Профессия, 2012. - 304 с.
Баринов И.П1, Волков В.С.2
1Доцент, кандидат технических наук, 2доцент, кандидат технических наук, Пензенский государственный университет МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ МОСТОВОЙ СХЕМЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО
ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ
Аннотация
Проанализированы результаты моделирования схемы температурной компенсации высокотемпературного полупроводникового датчика давления. Предложена математическая модель для определения характеристик терморезистора.
Ключевые слова: высокотемпературный датчик давления, температурный коэффициент сопротивления, температурная компенсация.
Barinov IN.1, Volkov V.S.2
'Associate professor, PhD in technical sciences, 2 associate professor, PhD in technical sciences, Penza State University SIMULATION OF BRIDGE CIRCUIT TEMPERATURE DEPENDENCE FOR HIGH - TEMPERATURE
SEMICONDUCTOR PRESSURE SENSOR
Abstract
The results of simulation the temperature compensation circuit of high temperature semiconductor pressure sensor are analyzed. The mathematical model for determining the characteristics of the thermistor is proposed.
Keywords: high temperature pressure sensor, temperature coefficient of resistance, temperature compensation.
Современные датчики давления, содержащие полупроводниковый чувствительный элемент (ЧЭ) с расположенными на нем полупроводниковыми тензорезисторами, эксплуатируются в условиях воздействия высоких температур [1]. Использование технологии "кремний - на - диэлектрике" обеспечивает работоспособность датчиков давления в диапазоне температур до 300°С, но расширение температурного диапазона датчиков вызывает проблему снижения значительной дополнительной температурной погрешности [2-5].
Тензорезисторы в составе ЧЭ объединены в мостовую измерительную схему, выходной сигнал которой описывается выражением:
R1R4 ~ R2 R3
1 + ^2) • (R3 + R4) (1)
U вых U п / п (R
Нелинейность температурной зависимости полупроводниковых тензорезисторов приводит к необходимости использования для ее описания нелинейной функции, например, полинома 2-й степени:
R (T) = R0(1 + a1AT + a 2 AT2) (2)
где R0 - номинал тензорезистора при нормальной температуре, a! - ТКС 1-го порядка [1/°С], a2 - ТКС 2-го порядка [1/°С2]. Зависимость сопротивления тензорезистора от деформации под воздействием измеряемого давления выражается формулой:
R (P) = R0(1 + ks), (3)
где k - коэффициент тензочувствительности, s - относительная деформация тензорезистора.
Коэффициент тензочувствительности можно представить линейно зависящим от температуры:
k (T) = k)(1 + yAT) (4)
где у- ТКЧ.
Подставив выражения (3) и (4) в формулу (2), получим зависимость сопротивления тензорезистора от температуры и деформации вследствие измеряемого давления:
R (P, T) = R0(1 + a1AT + a 2 AT 2)(1 ± k0(1 + yAT )e) 5)
где знак "+" соответствует тензорезисторам R! и R4, а знак "-" соответствует тензорезисторам R2 и R3.
Для количественного определения характеристик мостовой схемы целесообразно использовать имитационное моделирование [6].В программе MathCad было проведено моделирование мостовой схемы, тензорезисторы которой имеют номинальное сопротивление 500 Ом. Параметры схемы представлены в таблице 1, напряжение питания моста Пп = 2 В.
Таблица 1 - Параметры моделируемой схемы
Номинальное сопротивление тензорезистора, Ом ТКС 1-го порядка аь 1/°С, ТКС 2-го порядка a2, 1/°С2
R1 510 4,839-10-6 2,22-10-6
R2 505 1,166-10-5 2,1 ■ 10-6
R3 491 6,348-10-6 1,9-10-6
R4 508 1,196-10-5 2-10'6
Выходной сигнал мостовой измерительной схемы при максимальном давлении и изменении температуры до 300 °С представлен на рисунке 1.
12
