Reaktor s exotermní reakcí. Reaktor s exotermní reakcí. Proč řídit provoz zařízení. Bezpečnost chemických výrob N111001

1.12.2009

Bezpečnost chemických výrob

Základní pojmy z regulace a

N111001

řízení procesů

Petr Zámostný místnost: A-72a tel.: 4222 e-mail: [email protected]

 Účel regulace  Základní pojmy  Dynamické modely regulačních obvodů

Reaktor s exotermní reakcí Q[kW]

Qr

Q r

KA T

rT

stabilní ustálený stav

T[K]

E T T0 r0 exp RTT0

 složení reakční směsi a teplota se mohou měnit v čase

 Samovolné chování  a. reaktor se ustálí ve stabilním ustáleném stavu  b. teplota neustále roste – ujetí teploty

QC

T0

Hr Vr

 Dynamický systém

nestabilní ustálený stav

QC

Q C

Reaktor s exotermní reakcí

Qr

Hr V

Proč řídit provoz zařízení  Např. reaktor s exotermní reakcí  vyšší teplota = vyšší rychlost reakce  při vysoké teplotě nelze dosáhnout stabilního ustáleného stavu

 Provoz v nestabilním ustáleném stavu s regulací  regulace eliminuje vznikající odchylky od ustáleného stavu

 „Přinucení“ reaktoru k jinému chování  REGULACE, Řízení procesu

Kvalita regulace vs. efektivita procesu  Často při provozu nesmí dojít k překročení některých limitů (např. teplota)  Čím blíže k limitu lze zařízení provozovat, tím vyšší může být efektivita  např. rychlost reakce roste s teplotou, ale od nějaké teploty se začnou objevovat nežádoucí produkty

1

1.12.2009

Terminologie

Příklad: řízení auta

 Cíl regulace (Setpoint) - co se má regulací dosáhnout (jaká hodnota)  Řízená veličina – veličina, jejíž hodnota se regulací upravuje  Nastavovaná (akční) veličina – veličina, jejíž hodnotu lze přímo nastavit (a ovlivňuje hodnotu řízené veličiny)  Akční člen (actuator) – zajišťuje změnu nastavované veličiny  Senzor – zjišťuje hodnotu řízené veličiny  Ovladač – dává pokyny akčnímu členu  Porucha (disturbance) – odchylka od normálu, způsobí výchylku řízené veličiny

      

Příklad: výměník tepla

Nejjednodušší regulace

 Řízená veličina: teplota výstupního proudu  Nastavovaná veličina: průtok chladícího média  Akční člen: regulační ventil na přívodu chladiva  Senzor: termočlánek na výstupním proudu  Porucha: změna teploty vstupního proudu

 Stabilizace vstupů  Omezená použitelnost

Řízení se zpětnou vazbou

Princip zpětnovazební regulace

+-

Ovladač

Akční č.

 omezené možnosti nastavení podmínek  citlivost na poruchy, nestailita

 Aktuální hodnota řízené veličiny je měřena  Aktuální měřená hodnota je porovnána s nastavenou hodnotou  Rozdíl hodnot určí akci, která se provede

Porucha Nastavená hodnota

Cíl regulace: udržet auto na silnici ... Řízená veličina: poloha auta na silnici Nastavovaná veličina: úhel otočení předních kol Akční člen (actuator): volant, ruce řidiče Senzor: oči řidiče Ovladač: řidič, mozek řidiče Porucha (disturbance): zatáčka na silnici

Proces Řízená veličina

Senzor

2

1.12.2009

Typy zpětnovazební regulace  Řízení On-Off, např. běžný termostat  Ruční řízení operátorem  PID regulátory  obecný regulátor se třemi složkami interpretace odchylky – proporcionální, diferenciální a integrální

 Regulátory založené na modelu  model vypočítá optimální regulační zásah pro uvedení systému na požadovanou hodnotu

Regulace s dopřednou vazbou  Měření hodnot vstupních veličin  Analýza poruch  model  databáze  člověk

 Kompenzace vlivů poruch nastavením akční veličiny

Modely regulačních systémů

Automatické měření veličin

 Regulační systémy ovlivňují proces akčním členem s vlastní dynamikou  Proces dynamicky reaguje na změny v nastavované veličině  Odezva procesu je měřena čidlem s dynamickou charakteristikou

 Čidla  termočlánky, tlakové senzory, automatické váhy, konduktometry  mají určitou dynamickou charakteristiku

 Analyzátory  periodický odběr a analýza vzorků  mají určitou prodlevu

 Modely regulačních systémů jsou dynamické

Dynamická charakteristika senzoru

dTs dt

1 Ts

T Ts

» dynamické chování vyjádřeno časovou konstantou » T … skutečná teplota » Ts … snímaná teplota

Dynamický model off-line analyzátoru

Cs (t ) C(t

A

)

C(t)

Cmeas (t)

A

Čas, s

3

1.12.2009

Akční člen

Příklad instalace F2

F1

T2

T1

Thermowell

3-15 psig

T Air

Tsp

Thermocouple millivolt signal 3-15 psig

Pneumatic Controller

Air Transmitter

Pneumaticky řízený ventil pro regulaci průtoku

Časová charakteristika akčního členu

dF dt

1

Dynamický model úrovně hladiny Fin

Fspec F

LT

v

L Fout

Fspec

F

0

2

Ac 4

6 Čas, s

8

Dynamický model úrovně hladiny dFout dt

Ac

dLs dt

1

dL dt

Fout,spec Fout

 akční člen na výtoku ze zásobníku

v

Fin Fout

1 Ls

 proces (zásobník)

Fin Fout

10

Cvičení  Nasimulujte časovou závislost výšky hladiny v zásobníku o vodorovném průřezu 1 m2.  Přítok kolísá v rozmezí 9 – 11 l.s-1  =NÁHČÍSLO()*2+9

 senzor

L Ls

dL dt

 Odtok je regulován on/off regulací na 0 nebo 15 l.s-1 tak, aby se výška hladiny v zásobníku držela na 10 m.

 Časové konstanty dynamických charakteristik senzoru a akčního členu jsou 2 a 10 s

4

1.12.2009

Rovnice PID regulátoru

PID Regulátory  Zavedeny ve 40. letech minulého století

e(t )

 jednoduché  robustní  ověřené

c(t )

 Dnes tvoří asi 80 % instalovaných regulátorů

1

Kc e(t )

I

t

e(t )dt

0

D

c0

Kc e(t )

1 I

c … nastavovaná veličina e … odchylka řízené veličiny

t 0

e(t )dt

d e(t ) dt

D

Fin

LT

LC

e(t )dt

D

d e(t ) dt

» Pozitivní účinek nastavované veličiny na odchylku » průtok roste, hladina roste

L

d e(t ) dt

Fout

» Použít regulátor s přímým účinkem

 s přímým účinkem

Příklad: regulace hladiny  Negativní účinek nastavované veličiny na odchylku

Fin LT

t 0

Příklad: regulace hladiny

 s obráceným účinkem

c(t )

1

c … nastavovaná veličina Kc … proporcionální zesílení regulátoru τI … integrační čas τD … derivační čas

Účinek PID regulátoru c0

K c e(t )

I

 proporcionální, diferenciální a integrální složky regulace

c(t )

y (t ) y set

y … řízená veličina e … odchylka řízené veličiny

LC

L Fout

 průtok roste, hladina klesá

 Použít regulátor s obráceným účinkem

Nasycení regulátoru  Akční veličina může pracovat pouze v určitém použitá rozmezí hodnota

teoretická hodnota

c(t )

cmax

c (t )

cmax

c (t )

cmin

c (t )

cmin

*

c (t )

cmax

c * (t )

c(t )

c * (t )

cmin

5

1.12.2009

Vliv proporcionální složky

Vliv integrální složky

 Funkce

 Funkce

 Posunuje řízenou veličinu směrem k nastavené hodnotě intenzitou úměrnou regulační odchylce

 eliminuje dlouhodobé trendy v řízené veličině (offset)  může být nenulový v ustáleném stavu

 Výhody

 Výhoda

 přímý jednoduchý opravný účinek  snadná implementace i bez elektroniky

 nástroj k eliminaci offsetu

 Nevýhody

 Nevýhoda  neřeší regulační odchylku v ustáleném stavu (offset)

Unášení integrace

 způsobuje nestabilitu (oscilace)  zpožděná odezva, nutno kombinovat s Pregulátorem

Unášení integrace  Protiopatření

Řízená veličin a

 vypnutí integrace při změnách stavu zařízení  najíždění  odstávky

 vypnutí integrace při nasycení regulátoru Čas

 Načtení velké integrační odchylky  v okamžiku, kdy systém přechází mezi stavy  při nasycení regulátoru

Filtrování měřených veličin

Vliv derivační složky  Funkce

e(t)

 predikuje budoucí stav systému

d

de(t ) / dt

d

e(t)

 Výhoda  zvyšuje robustnost

 Nevýhody

současné (t) budoucí ( t

d

)

 zvyšuje oscilace obsahuje-li měřený signál šum

y f (t )

f ys (t )

(1 f ) y f (t

t)

 Filtrování redukuje dopad šumu metodou klouzavých průměrů  Filtrování měření řízené veličiny způsobuje prodlevu v regulaci  f- faktor filtrování (0-1)

6

1.12.2009

Typické odezvy zpětnovazebního řízení  Bez řízení  systém dosáhne nového ustáleného stavu

 Proporcionální

Bez řízení Proporcionální řízení

 zrychlená dynamika systému, menší offset

 PI  eliminuje offset, vyvolá oscilace

Čas

 PID  zmenší oscilace  zrychlí účinek

7