РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СИНТЕЗОМ ПОЛИЭФИРОВ

DEVELOPMENT OF AN AUTOMATED CONTROL SYSTEM FOR THE SYNTHESIS OF POLYESTERS

Aleksey Bondarenko

student, Department of Automation, Mechatronics and Robotics, Vladimir State University,

Russia, Vladimir

Kirilina Anastasia

supervisor, Ph.D., Associate Professor, Department of Automation, Mechatronics and Robotics, Vladimir State University,

Russia, Vladimir

АННОТАЦИЯ

В представленной работе представлена разработка автоматизированной системы управления синтезом полиэфиров. Подробно рассмотрен процесс синтеза полиэфиров, предложен контроллер для повышения эффективности работы системы автоматического управления, подробно описаны режимы работы установки. Автоматизация процесса производства полиэфиров повысит качество продукта, позволит высвободить рабочую силу.

ABSTRACT

The paper presents the development of an automated control system for the synthesis of polyesters. The process of polyester synthesis is considered in detail, a controller is proposed to improve the efficiency of the automatic control system, and the operating modes of the plant are described in detail. Automation of the production process of polyesters will improve the quality of the product, will allow you to free up labor.

Ключевые слова: автоматизированная система управления; синтез полиэфиров; контроллер.

Keywords: automated control system; polyester synthesis; controller.

Целью представленной работы является разработка автоматизированной системы управления синтезом полиэфиров, которая позволяет повысить качество готового продукта. Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи: изучить процесс получения полиэфиров; разработать структуру системы автоматизации и алгоритм работы системы; выбрать контрольно-измерительную аппаратуру; провести расчет клапана.

Ненасыщенные полиэфирные смолы ПН-1, ПНТ-2, ПН-12 представляют собой вязкие прозрачные жидкости от желтого до светло-коричневого цвета. Применяются в качестве связующего при изготовлении стеклопластиков, полимербетона, лаков, клеев, товаров народного применения, в радиопромышленности и других областях [1].

Установка для синтеза полиэфира состоит из: реактора, дефлегматорной колонны, дефлегматора, конденсатора, сборника отгонов, тепловой станции, электронасоса. Процесс синтеза полиэфиров является периодическим. Процесс синтеза состоит из 3 стадий: подготовки сырья; разогрев системы; поликонденсация (при атмосферном давлении, под вакуумом); охлаждения; слив готового продукта. Структурная схема процесса представлена на рис.1.

Рисунок 1. Структурная схема процесса

Центральный контроль и управление технологическим процессом предлагается осуществлять из щитовой с помощью программируемого РС-совместимого контроллера ADAM-5510 на базе процессора 80188. Система контроля и управления построена на базе прикладного обеспечения GenieDAQ, адаптивного к данному технологическому процессу.

В щите управления располагаются цифровые приборы, сигнальная арматура, различные преобразователи, блоки питания, кнопки управления и др.  центральной щитовой установлены: управляющий программируемый контроллер; персональная ЭВМ с принтером; щит, на котором смонтированы цифровые приборы контроля основных технологических параметров, преобразователи и сигнальная арматура.

Контроллер представляет собой устройство, состоящее из двух блоков: панели оператора (терминала) и управляющего блока с модулями ввода-вывода. Системы управления, построенные на базе программируемых контроллеров в отличие от традиционных средств автоматизации являются более совершенными и обеспечивают: большую гибкость управления (т.е. легко менять алгоритмы управления по мере освоения технологического процесса и оборудования, а также изменения его конфигурации и т.д.); легкость монтажных работ, за счет съемных клеммных соединителей [2].

В отличие от прочих РС – совместимые контроллеры имеют преимущество по совместимости программного обеспечения, так как их архитектура позволяет применять средства программирования, которые подходят для обычных и промышленных компьютеров. Терминал контроллера представляет возможность оператору непосредственно (дистанционно) управлять производственным процессом или обеспечивать автоматическое управление. Информация с различных этапов технологического процесса может быть отображена в реальном времени или в виде графиков (тренды) или в виде таблиц, или на мнемосхеме процесса на экране дисплея компьютера верхнего уровня.

Также в отделении щита №5 установлены датчики для измерения технологических параметров, исполнительные механизмы и установлены местная панель управления, на которой смонтированы электропневматические преобразователи для управления отсечной арматурой. В отделении №6 установлены датчики для измерения технологических параметров, а также шкаф преобразователя напряжения тиристорного для управления электрической мощностью, подводимой к ТЭНам тепловой станции.

Управление технологическим процессом синтеза возможно в трех режимах: автоматическое; дистанционное ручное с терминала оператора; дистанционное ручное со щита управления. Ведение синтеза в автоматическом режиме происходит под управлением алгоритмов, заложенных в программируемом контроллере поз. А2. При ведении процесса вручную с помощью терминала контроллера оператор управляет выходными аналоговыми и дискретными сигналами контроллера. Для перехода в ручной режим через органы управления, находящиеся на щите необходимо установить переключатель «Ручн./авт.» в положение «Ручн.», в этом случае дискретные выходы контроллера отключаются, а аналоговый сигнал управления электрической мощностью, подводимой к тепловой станции переключается на ручной задатчик. Ручного дистанционного управления клапаном на линии хладагента в дефлегматор через органы управления на щите не предусмотрено. Управление подачей хладагента в этом случае производится по месту вентилем. Ручное управление запорной арматурой с органов управления, расположенных на щите возможно при любом положении переключателя режимов «Ручн./авт.».

При ведении процесса в автоматическом режиме или в режиме ручного управления через панель оператор может наблюдать значение всех технологических параметров, а также настроечных параметров регуляторов непосредственно через систему меню терминала. Для работы в ручном режиме с органов управления, расположенных на щите выведены сигнальные лампы и показывающие приборы для индикации основных технологических параметров (температура реакционной массы, температура верха дефлегматора, температура на выходе тепловой станции, температура в рубашке насоса, давления в системе и уровня конденсата в сборнике).

После подачи электропитания контролер проверяет состояние исполнительных механизмов, проводит первичный опрос датчиков и встает в режим ожидания запуска синтеза. При этом на экране терминала появляется сообщение о готовности системы. Оператор нажимает кнопку «Enter» для запуска процедуры инициализации или вызывает меню для выбора другой операции. После запуска операции подготовки системы к работе контроллер проводит проверку системы на герметичность, для чего набирает вакуум в реакторе величиной -75 кПа. Затем выдерживается пауза, проверяется падение давления в системе и вакуум стравливается до нуля. Если падение давления не превысило 0,5 кПа, то контроллер переходит в режим ожидания команды оператора к переходу на следующую операцию. Если падение давления превысило указанный порог, возможны два варианта хода процесса: оператор дает команду на проведение следующей операции, несмотря на негерметичность системы; устраняется неполадка, вызвавшая негерметичность системы и процедура проверки повторяется снова [3].

Следующей исполняется процедура загрузки исходных компонентов. Загрузка сырья производится в следующей последовательности. Сначала в системе создается вакуумметрическое давление -90 кПа. Затем аппаратчик вакуумом загружает гликоли из бочки, установленной на весах в реактор, включает мешалку; реактор разогревается до ~80 ⁰С; дикарбоновые кислоты загружаются при работающей мешалке. После окончания загрузки сыпучих через люк загружается катализатор – тетрабутоксититан и включается обогрев реактора до температуры начала реакции. Нагрев идет со скоростью не более 30 ⁰С/час, что определено технологическим регламентом.

При начале химической реакции (температура верха колонны превышает 90 ⁰С) контроллер автоматически переходит в режим управления подводом тепла в реактор по перепаду давления на насадочной колонне. В этом случае температура реакционной массы устанавливается таким образом, чтобы перепад давления на колонне был максимальным, но с ограничением по скорости набора температуры в 30 ⁰С.

Как только температура реакционной массы достигнет 200 ⁰С контроллер автоматически переводит регулятор температуры реакционной массы в режим стабилизации температуры на уровне 200 ⁰С. Одновременно с этим контроллер проверяет падание перепада давления на колонне. Как только перепад давления станет ниже заданного значения контроллер автоматически переходит на вакуумную стадию процесса. Набор вакуума выполняется дискретно по ШИМ закону. Период ШИМ составляет 1 мин. Контроллер открывает клапан на линии вакуума на время, определяемое регулятором перепада давления на колонне.

Как только перепад давления на колонне упадет ниже значения, соответствующего минимальной скорости реакции контроллер выдает на экран терминала сообщение о приближении к завершению процесса синтеза. Оператор дает сигнал об окончании процесса нажатием клавиши «Enter». Контроллер спускает вакуум в системе до нуля и дает запрос оператору на следующий синтез. Если оператор не подтверждает продолжение работы, то контроллер приводит в исходное положение все исполнительные механизмы и снимает сигнал управления с тепловой станции.

Если получена команда к новому синтезу, контроллер приводит в исходное положение все исполнительные механизмы и устанавливает задание регулятору температуры теплоносителя на выходе тепловой станции 120 ⁰С.

В ходе синтеза наряду с изменением режимных параметров процесса: температура, давление происходит увеличение вязкости реакционной массы, а скорость отгона реакционной воды изменяется в десятки раз. Сложность динамики, нестационарность и нелинейность процесса не позволяют использовать эффективно локальные САР на действующих производствах, что приводит к постоянному вмешательству оператора в управление процессом.

С учетом вышесказанного разработка оптимальных алгоритмов управления процессом синтеза СПЭ является актуальной задачей.

Список литературы:

1. ГОСТ 27952-2017 Межгосударственный стандарт. Смолы полиэфирные ненасыщенные. Технические условия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/1200157967 (дата обращения 06.05.2021).
2. Путь в автоматизацию. Программируемые логические контроллеры в АСУ. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ap-n.com/programmiruemye-logicheskie-kontrollery (дата обращения 06.05.2021).
3. Втюрин В.А., Илющенко В.В. Системы управления химико-технологическими процессами: учебное пособие к выполнению курсовой работы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://window.edu.ru/catalog/pdf2txt/060/77060/58190?p_page=1 (дата обращения 06.05.2021).