Диссертация (Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом стерилизации консервов в промышленном автоклаве), страница 8

Последняя составляющая переменна по высоте аппарата ив месте расположения датчиков пренебрежимо мала, поэтому еѐ влияние неучитывают. Давление в автоклаве PАВТ , Па можно рассчитать по формуле [19]:PАВТ  PПАР  PВОЗ ,где(2.7)PПАР – давление насыщенного водяного пара, Па;PВОЗ – парциальное давление воздуха, Па.Парциальное давление насыщенного водяного пара зависит от температуры.Поэтому, зная температуру рабочей среды в автоклаве, по таблице состояниянасыщенного пара на кривой насыщения [67] можно определить его значение.Полученный методом наименьших квадратов полином, аппроксимирующий этузависимость в диапазоне от 0 до 130 °С с точностью до 197 Па, имеет вид:PПАР  0,0014АВТ  0,0693АВТ  5,7942АВТ  24,929 АВТ  757,749.Парциальноедавлениевоздуханаоснованиизакона(2.8)Менделеева-Клапейрона:PВОЗ гдеmВОЗ R   АВТ  273,VВОЗ 0(2.9)mВОЗ – масса воздуха в автоклаве, кг;33VВОЗ 0 = 0,25м – начальный объѐм воздуха в автоклаве, м ;о АВТ – температура в автоклаве, С;48R = 286 Дж/(кг  К) – газовая постоянная.Газовая постоянная R представляет собой физическую постоянную, котораядля каждого газа принимает вполне определенное значение, зависящее отприроды газа и не зависящее от его состояния.Масса воздуха в динамике:dmВОЗ  ( g ВОЗ  gСЛ ) dt ,где(2.10)g ВОЗ – массовый расход воздуха через регулирующий клапан,кг/с.Приращение парциального давления воздуха, Па: (g gСЛ )dPВОЗ   ВОЗR   АВТ  273  dt.VВОЗПредставленный материал позволяет расширить(2.11)структурную схему,показанную на рисунке 2.4, и учесть влияние давления на поведение исследуемойсистемы (рисунок 2.5).49Канал набора температурыg ПАРrВ1+++ В 0 АВТmВ сВ pqБ+ ВБ FББ1mБ сБ pqК+ ВС FКК1mК сК pqПОТ++ Б 0+++К 0+ СВ FКОС ХВ+  АВТg ХВКанал охлаждениясВ АВТg СЛg ВОЗ +Канал сброса давлениясВ1 mВОЗ+ АВТRpVВОЗ АВТPВОЗ+273++PАВТКанал набора давления0, 0014АВТ  0, 0693АВТ  5, 7942АВТ  24,929 АВТ  757, 749PПАРРисунок 2.5 – Структурная схема регулирования канала температуры и давления вавтоклаве502.2 Математическое моделирование процесса изменения температуры идавления в автоклавеВходными параметрами для регулирования температуры и давления вструктурной схеме (рисунок 2.5) являютсярасход пара, воды, воздуха ипаровоздушной смеси.

Для регулирования массового расхода в трубопроводеустанавливают регулирующий клапан.Выбортипарегулирующейарматуры(регулирующеговентиля,регулирующего клапана и т. д.) определяется еѐ назначением. Для непрерывногорегулирования расхода среды с целью изменения регулируемых параметровтемпературы и давления в автоклавах используются односедельные (илидвухседельные) клапаны с пневматическим мембранным исполнительныммеханизмом (МИМ). Расход регулируемой среды изменяется в соответствии ссигналом, поступающим от управляющего устройства.

Регулирование расходапроисходит за счѐт изменения степени открытия сечения между плунжером иседлом внутри клапана [23]. Площадь открытого сечения зависит от положенияплунжера относительно седла. Положение плунжера определяется положениемравновесия подвижной системы клапан — МИМ. Равновесие системы создается вмомент равенства силы от давления воздуха на мембрану и усилия пружины.Силовая характеристика пружины имеет линейную зависимость от степенисжатия (относительного хода пружины). Перемещение плунжера происходитпропорционально давлению воздуха на мембрану, если не учитывать влияниянезначительной нелинейности некоторых параметров пружины и мембраны.Профиль плунжера обеспечивает изменение расхода с минимального домаксимального значения. Для автоклавов применяются клапаны с нормальнозакрытым исполнением.Изменениепропускнойспособностиосуществляетсяперемещениемподвижной части регулирующего органа, который называется затвором.51Проходное сечение регулирующего органа образуется между седлом и затвором.Седлом является неподвижная кольцевая частью регулирующего органа.Электропневматический позиционер с электрическим входным сигналомуправления 4-20 mA устанавливается на пневматические исполнительныемеханизмы и служит для преобразования управляющего сигнала в усилиепневматического привода.

Кроме того, позиционер на регулирующем клапанеуменьшает рассогласование управляющего сигнала и регулирующего воздействияпутемвведенияобратнойсвязипоположениювыходногоэлементаисполнительного механизма. Датчик положения дает информацию о положениивыходногоэлементаисполнительногомеханизма,чемявляетсязатворрегулирующего органа.Для автоклавов наиболее эффективны пневматические исполнительныемеханизмы, так как могут обеспечивать быстрое приведение из рабочегосостояния в положение безопасности, постоянную герметичность и высокуючувствительность к управляющему сигналу.

Регулирующий клапан вместе спневмоприводом и электропневмопозиционером образуют управляющий контур,подчиненный устройству управления всем технологическим процессом.Пропускная способность KV определяется объемным расходом жидкости вм3/ч с плотностью среды (для воды равной 1000 кг/м3), пропускаемойрегулирующим органом при перепаде давления на нем в 1 кгс/см2.

Текущеезначение пропускной способности при заданной величине хода (в процентах)указывается соответствующим индексом.Пропускная характеристика KV  f ( z ) определяет зависимость пропускнойспособности от перемещения затвора z. В автоклавахудобнее использоватьодноседельные регулирующие клапаны с линейной пропускной характеристикой.Данная характеристика является наиболее часто применяемой на производствеприрегулированиихарактеристикатехнологическихобеспечиваетпроцессов.приращениеЛинейнаяпропускнойпропускнаяспособностипропорционально перемещению затвора. Рабочая расходная характеристика52определяет зависимость расхода в рабочих условиях от перемещения затвора. Такосуществляется контроль на всѐм рабочем диапазоне регулирования.Линейная характеристика используется при постоянном перепаде давленияв условиях изменения нагрузки.

Линейная характеристика соответствует равнымприращениям значения пропускной способности KV при равных приращенияххода.Массовый расход среды (воды, пара, воздуха и удаления паровоздушнойсмеси из автоклава) через пневматическое односедельное исполнительноеустройство определяется как [27]:g КЛ  КЛ SКЛ 2 ( PМ  PАВТ ),где(2.12)g КЛ – массовый расход среды через регулирующий орган, кг/c; КЛ – коэффициент расхода клапана (0,5-0,7) [23];PМ – давление в магистрали, Па;PАВТ – давление в автоклаве, Па; – плотность среды, кг/м ;3S КЛ2X  d0  23,14   d 0   d 0  X max  4– площадь проходного сеченияклапана, м2;d 0 - диаметр проходного сечения клапана, м;X max - максимальный ход регулирующего органа, %;X - заданный ход регулирующего органа, %.Плотность различных сред [36]: ПАР  2,163 кг / м3 – плотность пара, кг/м ;3 XВ  1000 кг / м3– плотность воды, кг/м3;ВОЗ  1, 2 кг / м3– плотность воздуха, кг/м3.53Используя формулы (2.12) можно рассчитать максимальный массовыйрасход для всех входных трубопроводов: пара, воды, воздуха и трубопроводеслива паровоздушной смеси.Массовый расход при полностью открытом клапане подачи пара:g ПАР3,14   0, 05 0,7 422  2,163  (400000  0)  1,8 кг / с.Массовый расход при полностью открытом клапане подачи холодной воды:g ХВ3,14   0, 05 0,7 422 1000  (400000  0)  38,856 кг / с.Массовый расход при полностью открытом клапане подачи воздуха:g ВОЗ3,14   0, 05 0,7 422 1, 2  (400000  0)  1,346 кг / с.Массовый расход при полностью открытом клапане слива паровоздушнойсмеси из автоклава:gСЛ3,14   0, 05 0,7 422 1, 2  (0  400000)  0,134 кг / с.Динамическая структурная схема модели процесса изменения температурыи давления в автоклаве с учѐтом свойств регулирующих органов по каждомуканалу воздействия (пара, воды, воздуха и слива) приведена на рисунке 2.6.

Воснову моделей регулирующих клапанов по каждому каналу заложено выражение2.12.54PПАР_+PАВТS КЛXПАРX maxd0Канал набора температуры2  ПАРg ПАР КЛ++r1+3,144qБPХВ+X maxd0PАВТ+_1qПОТg ХВК+++К 0+ СВ FКОС+ АВТg СЛ КЛg ВОЗ+Канал охлаждениясВ3,144Канал сброса давлениясВ2  ВОЗ+ ВС FК+  АВТX maxd0++ Б 0 ХВPАВТS КЛXВОЗБmК сК p3,144 КЛ+++2  ВОЗS КЛX maxd0PВОЗ КЛ+XСЛqК2  XВS КЛXХВ+ ВБ FБmБ сБ pPАВТ АВТmВ сВ p1_В0++В+1 mВОЗp+ АВТRPВОЗ+273++PАВТVВОЗ Канал набора давления3,144 АВТ0, 0014АВТ  0, 0693АВТ  5, 7942АВТ  24,929 АВТ  757, 749PПАРРисунок 2.6 – Структурная схема модели автоклава с учѐтом исполнительныхмеханизмовНа рисунке 2.6 дополнительно используются следующие буквенныеобозначения: X ПАР – сигнал управления клапаном паровой магистрали, % ходарегулирующего органа; X ХВ – сигнал управления клапаном подачи холоднойводы, % хода регулирующего органа; X ВОЗ – сигнал управления клапаном подачисжатого воздуха, % хода регулирующего органа; X СЛ – сигнал управленияклапаном слива паровоздушной смеси из автоклава, % хода регулирующегооргана.55Схема моделирования с подставленными в неѐ числовыми значениямиконстант, показана в Приложении А (рисунок А.1).В настоящее время одним из самых мощных инструментов познания,анализа и проектирования, которым располагают специалисты, ответственные заразработку и функционирование сложных технологических процессов ипроизводствявляетсякомпьютерноемоделирование.Компьютерноемоделирование позволяет значительно повысить эффективность исследований засчет существенного снижения временных и материальных затрат.

Сущностьметодологии компьютерного моделирования состоит в замене исходноготехнологического объекта математической моделью и изучении модели спомощью реализуемых на компьютерах вычислительных алгоритмов.Вкачествесредыдляреализациимоделиканаларегулированиятемпературы и давления (рисунок 2.6) использована система компьютерногомоделирования Matlab с пакетом Simulink.Данная математическая среда,описанная в [84], позволяет строить структурные и имитационные модели системавтоматического управления технологическими процессами и объектами.Модель процесса нарастания, стабилизации и сброса температуры идавления в автоклаве при подаче пара, воды и воздуха из магистрали спостоянным давлением и слива паровоздушной смеси, реализованная впрограммной среде Simulink, имеет вид, показанный на рисунке 2.7.Назначение входных и выходных сигналов у модели канала регулированиятемпературы и давления в Simulink описаны в таблице 2.2.Пригодность математической модели процесса стерилизации консервов длярешения задач имитационного исследования, а также задач автоматическогоуправления во многом определяется точностью прогноза по математическоймодели параметров технологического процесса.