Система автоматического управления процессом синтеза аммиака

(191 ГОСУДАРСТВЕ Н 4 Ы И КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции и Черкасское производственное обьединение "Азот"(56) Авторское свидетельство СССР М 1020373, кл. С 01 С 1/04, 1981.Авторское свидетельство СССР М 1437352, кл. С 01 С 1/04, 1987.(54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧ ЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СИНТЕЗА АММИАКА (57) Изобретение относится к автоматическому управлению производством аммиака;(5115 С 01 С 1/04, С 05 О 27/00 может быть использовано в промышленности по производству минеральных удобре. ний и позволяет повысить производительность процесса за счет повышения качества управления составом смеси в системе циркуляции и предупреждения аварийных режимов. Система управления содержит конверторы 1 и 2, колонну 3 синтеза, измеритель (И) 4 расхода природного газа, задатчик 6, компенсатор 7, регуляторы 8 - 10, формирователи 13 и 14 положения клапанов, И 15 основного расхода воздуха, сумматоры 16 и 40, пороговые элементы 17-23, элементы 24-27 совпадения, логический элемент ИЛИ 28, функциональный блок 29, логический элемент 30 отрицания, ограничители 31-33, блок 34 форсажа, пропорциональный элемент 35, И 36 состава, пороговые блоки 37, 38, И 39 температуры газа. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.Изобретение относится к автоматическому управлению химическими процессами и может быть использовано впромышленности по производству минеральных удобрений при автоматизации производства синтеза аммиака,Целью изобретения является повышение производительности процесса эа счетповышения качества управления составомсмеси в системе циркуляции и предупреждения аварийных режимов,На фиг,1 приведена функциональнаясхема системы управления; на фиг.2 - ограничитель; на фиг,3 - элемент системы управления с использованием измерителядополнительного расхода воздуха; на фиг,4- элемент системы управления с использованием контура настройки третьего регулятора.Система управления режимом технологического обьекта содержит (фиг,1) конвертер 1 первой ступени, конвертер 2 второйступени, колонну 3 синтеза, измеритель 4расхода природного газа, клапан 5 подачигаза, задатчик 6, компенсатор 7, первый,второй и третий регуляторы 8 - 10, первый ивторой клапаны 11, 12 подачи соответственно основного и дополнительного воздуха,формирователи 13, 14 положения первого ивторого клапанов подачи воздуха, измеритель 15 основного расхода воздуха, первыйсумматор 16, первый - седьмой пороговыеэлементы 17-23, первый - четвертый элементы 24 - 27 совпадения И, логический элемент ИЛИ 28, функциональный блок 29,логический элемент 30 отрицания, первый,второй и третий ограничители 31-33, блок34 форсажа, пропорциональный элемент35, измеритель 36 состава, первый и в горойпороговые блоки 37, 38, измеритель 39 температуры газа после конвертера второй ступени, второй сумматор 40,Измеритель 4 предназначен для формирования сигнала по расходу газа в конвертер 1, Клапан 5 предназначен дляизменения подачи газа в конвертер 1. Задатчик 6 предназначен для ввода в системувеличины задания по расходу газа,Компенсатор 7 предназначен для компенсации возмущений по изменению подачигаза. Его характеристики устанавливаютсяиз условия инвариантности соотношениямежду водородом и азотом в системе циркуляции к изменению подачи газа. В частном случае компенсатор 7 может иметьструктуру усилительного звена.Первый регулятор 8 предназначен дляподдержания требуемой подачи газа в конвертер 1 и может иметь типовую ПИ-структуру, Величина задания регулятора может10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ограничиваться соответствующими ограничителями. Второй регулятор 9 предназначен для поддержания заданного расхода воэдуха в конвертере 2. Он может иметь ПИ- структуру. Величина задания у регулятора может ограничиваться соответствующими ограничителями, Третий регулятор 10 предназначен для выработки управлений по подаче воздуха из условия регулированиясостава циркуляционного газа относительно задания, вводимого в этот регулятор. Регулятор 10 может иметь структурулинейного или нелинейного ПИ-регулятора,Клапаны 11 и 12 предназначены для изменения подачи воздуха в конвертер 2, Клапан 12 установле. а байпасной магистралиподачи воздуха, которая либо подключаетсяпараллельно основной магистрали, либопредставляет собой отвод части воздуха ватмосферу,Формирователи 13 и 14 положения первого и второго клапанов подачи воздухапредназначены для формирования и передачи сигналов И 1 и О/2 по положениям первого и второго клапанов подачи воздуха, Вчастном случае формирователи 13 и 14 могут быть реализованы на базе измерителейдавления, формирующих и передающих сигналы по величинам давления управляющеговоздуха. перемещающего клапаны.Измеритель 15 предназначен для формирования сигнала по расходу Е воздуха восновной магистрали подачи воздуха.Измерители 4, 15 могут быть реализованы на базе типовых расходомеров,Первый сумматор 16 предназначен дляопределения суммы сигналов, поступающихна его входы, с целью определения результирующего управляющего воздействия,Первый пороговый элемент 17 предназначен для определения возможности уменьшения подачи воздуха по байпасноймагистрали. Если 62 На, то выдается позиционный сигнал на первые входы первого ограничителя 31 второго элементас о впаден и я 25, Н р - н ижнее ограничениепо О/2.Второй пороговый элемент 18 предназначен для определения возможности увеличения подачи воздуха по байпасноймагистрали, Если О/2В у , то выдаетсяпозиционный сигнал на второй вход первого ограничителя 31 и первый вход первогоэлемента совпадения 24, В у - верхнееограничение по О/2,Третий пороговый элемент 19 предназначен для определения воэможности снижения подачи воздуха по основноймагистрали. Если ЕНг, то выдается поэи 1ционный сигнал на первый вход второго ог- сигнала при отсутствии входного сигнала15 раничителя 32, Нг - верхнее ограничение при наличии входного сигнала сигнал навыходе элемента 30 отсутствует, С выходаЧетвертый пороговый элемент 20 пред- элемента 30 сигнал подается на первый и назначендлясравнениятемпературы 1 газа 5 второй входы третьегоограничителя 33.после конвертера второй ступени с ограни- Первый ограничитель 31 предназначен чением В Если сВс выдается позицион- для корректировки управления, поступаюный сигнал на первый вход третьего щего на его третий вход в соответствии с элемента 26 совпадения. сигналами, выдаваемыми первым и вторымПятый пороговый элемент 21 предназ пороговыми элементами 17, 18. Если управначен для сравнения температуры т с огра- ление, поступающее от функционального ничением В . Если тВ, выдается блока 29, соответствует увеличению степепозиционный сигнал на второй входчетвер- ни открытия клапана 12 или сохранению того элемента 27 совпадения (ВВ). прежнего значения (ЛЮ 2 -0) и есть сигналШестой пороговый элемент 22 преднаэ от элемента 18 или если управление соотначендляопределения возможности увели- ветствует уменьшению степени открытия чения подачи воздуха по основной (Л ОlгО) и есть сигнал от элемента 17, то магистрали. Если РВг, то выдается пози- управление не меняется, в остальных случационный сигнал на первый вход четвертого ях принимается ЛО/2 = О, т.е. сигнал огра- элемента 27 совпадения, 20 ничивается.Седьмой пороговый элемент 23 предназ- Второй ограничитель 32 предназначен начен для сравнения сигнала Ю 1 с ограниче- для корректировки управления, поступаюниями Н, В . Если Н ЧЧВуу 1. уу . сли Н ууЧЧ 1 В ю, щего на его третий вход в соответствии с то выдается позиционный сигнал на второй сигналами, выдаваемыми тРетьим порогО- вход третьего элемента 26 совпадения. 25 вым элементом 19 и четвертым элементомПервый элемент 24 совпадения пред совпадения. Еслиуправлениеоттретьего назначен для выдачи позиционного сигнала Реулятора 10 соответствует увеличению на первый вход элемента ИЛИ 28 при нали- подачи воздуха или сохранению прежней чии сигналов на двух входах элемента 24, подачи (Л Е0) и есть сигнал от элементаВторой элемент 25 совпадения пред- ЗО 27 или если управление от регулятора соназначен для выдачи позиционного сигнала ответствует уменьшению подачи воздуха на второй вход элемента ИЛИ 28 при нали- ( Л Р 0) и есть сигнал от элемента 19, то чии сигналов на двух входах элемента 25. управление не меняется, в остальных случаТретий элемент 26 совпадения пред- ях принимается Л Р =- О, Третий ограничиназначендлявыдачипозиционногосигнала 35 тель 33 предназначен для корректировки на второй вход блока 34 форсажа при нали- управления, поступающего на его третий чии сигналов на двух входах элемента 26, вход, в соответствии с сигналом от элементаЧетвертый элемент 27 совпадения 30. При наличии сигнала от элемента 30 огпредназначен для выдачи позиционного раничитель 33 пропускает и увеличение, и сигнала на второй вход второго ограничите уменьшение управления, а при отсутствии ля 32 при наличии сигналов на двух входах сигнала отэлемента ЗО ограничитель 33 блоэлемента 27, кирует и увеличениеи уменьшение управЛогический элемент ИЛИ 28 предназ- ле"ияначен для выдачи позиционного сигнала на Блок 34 форсажа предназначен для корвход элемента 30 при наличии сигнала хотя 45 ректировки управления, подаваемого на его бы на одном из входов элемента 28. первый вход, В частном случае он можетфункциональный блок 29 предназна- быть реализован на базе типового форсиручен для определения по величине требуемо- ющего звена.го изменения расхода воздуха величины При отсутствии сигнала на втором вхоуправления, выдаваемого на третий вход 50 де блока 34 этот блок отключается (напри- первого ограничителя 31. В частном случае мер, за счет зануления коэффициента он может быть реализован на базе типового передачи)усилительного звена, коэффициент усиле- Пропорциональный элемент 35 предния которого положителен при подключе- назначен для умножения входной величины нии клапана 12 параллельно основной 55 на заданный коэффициент. Элемент 35 момагистрали и отрицателен при отводе части жет быть реализован на базе пропорциовоэдуха в атмосферу. нального звена. В частном случаеЛогическийэлементЗОотрицанияпред- коэффициент передачи этого звена может назначен для формирования позиционного изменяться в пределах 0 - 1, 163463710 Измеритель 36 состава предназначен для определения текущего значения концентрации водорода или соотношения между водородом и азотом в системе циркуляции. Он может быть реализован на базе промышленного газоанализатора (хроматографа).Первый и второй пороговые блоки 37 и 38 предназначены для определения характера изменения степени открытия клапана 12. Еслибы Ю 2О, то блок 37 выдает позиционный сигнал на второй вход элемента 24; если ЬЧЧ 2О, блок 38 выдает позиционный сигнал на второй вход элемента 25.Измеритель 39 предназначен для определения температуры газа после конвертера второй ступени и может быть реализован на базе датчика с термопарой. Второй сумматор 40 предназначен для суммирования двух сигналов, поступающих на его входы.Реализация ограничителей 31, 32, 33, является общеизвестной. Они могут быть реализованы на базе стандартных элементов, тривиальных по принципу функционирования.Один из возможных примероо реализации такого ограничителя приведен на фиг.2. Ограничитель содержит третий пороговый блок 43, второй логический элемент 44 отрицания, пятый и шестой элементы И 45 и 46, второй логический элемент ИЛИ 47, репейный элемент 48.Пороговый блок определяет характер изменения управления Ч, подаваемого на его вход, Если ЛЧО, то выдается позиционный сигнал на вход элемента 44 отрицания и второй вход элемента И 46. Элемент 44 выдает позиционный сигнал на второй вход элемента И 45 при отсутствии позиционного сигнала на входе элемента 44, Элементы 45 и 46 формируют позиционные сигналы при наличии сигналов на обоих входах каждого из этих блоков.Сигналы, сформированные элементами 45, 46, передаются на входы элемента ИЛИ 47. Элемент ИЛИ 47 формирует сигнал на включение релейного элемента 48 при наличии хотя бы одного входного сигнала. Включенный репейный элемент 48 пропускает управляющий сигнал, а при выключенном элементе 48 приращение управления равно нулю(Ь Ч = 0).Система работает следующим образом.При помощи контура регулирования, содержащего регулятор 8, клапан 5 и измеритель 4, поддерживается расход природного газа, равный заданию, вводимому с помощью задатчика 6. При помощи компенсатора 7 определяется управление по подаче 15 20 25 30 35 40 45 50 55 воздуха, компенсирующего возмущение по подаче газа, это управление подается на первый вход сумматора 16, При помощи измерителя 36 и регулятора 10 определяется управление по подаче воздуха из условия поддержания состава смеси в системе циркуляции относительно задания, вводимого в оегулятор 10, управление подается на третий вход ограничителя 32. При помощи измерителя 15 и порогового элемента 19 определяется возможность снижения подачи воздуха, при наличии такой возможности сигнал от элемента 19 подается на первый вход ограничителя 32. С помощью пороговых элементов 21, 22, элемента совпадения 27 и из лерителя 39 определяется возможность увеличения подачи воздуха, при наличии такой возможности выдается сигнал от элемента 27 на второй вход ограничителя 32. С помощью ограничителя 32 корректируют управление от регулятора 1 О в зависимости от возможности увеличения и уменьшения подачи воздуха. С выхода ограничителя 32 управление подают на входы блока 34 и элемента 35,При помощи формирователя 13, пороговых элементов 20, 23 и элемента 26 совпадения определяется возможность выдачи форсированного управления, при наличии такой возложности выдается сигнал на второй вход блока 34 форсажа. При наличии сигнала на втором входе блок форсажа выдает форсированное управление по подаче воздуха, при отсутствии этого сигнал управления от ограничителя 32 проходит только через элемент 35. При помощи второго сумматора 40 производится суммирование выходных сигналов блока 34 и элемента 35, С помощью функционального блока 29 управление преобразуется в величины, соответствующие изменению подачи воздуха клапаном 12. При помощи пороговых элементов 17, 18 и формирователи 14 определяется возможность уменьшения и увеличения подачи воздуха по байпасной магистрали. При возможности увеличения подается сигнал на второй вход ограничителя 31 и первый вход элемента 24 совпадения, при воэможности уменьшения выдается сигнал на первые входы ограничителя 31 и элемента 25 овпадения, С помощью пороговых блоков 37, 38 определяется характер требуемого изменения степени открытия клапана 12 и выдаются соответствующие сигналы на вторые входы элементов 24, 25, При помощи элементов 24, 25 совпадения, элемента ИЛИ 28 и элемента 30 отрицания вырабатывается сигнал на снятие блокировки ограничителя 33 при недопустимости отработки управле 1634637 1 Ония с помощью клапана 12, при отработке измеритель расхода природного газа, подуправления клапаном 12 сигнал на выходе ключенный к первому входу первого регуляэлемента 30 отсутствует, С помощью огра- торэ, выход которого связан с клапаном ничителя 31 корректируют управление в эа- подачи газа, задатчик, выход которого соевисимости от возможности увеличения и 5 диненс вторым входомпервого регулятора, уменьшения подачи воздуха клапаном 12. формирователь положения второго клапаПри помощиограничителя 33 корректируют на, параллельно подключенный к входам управление в зависимости от сигнала от эле- первого и второго пороговых элементов, вымента 30, и при недопустимости отработки ходы которых соединены с первыми входа- управления клапаном 12 управление через 10 ми соответственного второго и первого ограничитель 33 поступает на второй вход элементов совпадения И, выход первого сумматора 16, с помощью которого опреде- элемента совпадения И связан с первым ляется результирующее управление и выда- входом логического элемента ИЛИ, измериется в камеру задания регулятора 9, тель основного расхода воздуха, подклюкоторый поддерживает задаваемый расход 15 ченный выходом к входу третьего воздуха по основной магистрали, выдавая порогового элемента, измеритель темпера- управления на клапан 11, с помощью клапа- туры газа, выход которого соединен с вхонов 11 и 12 изменяется подача воздуха с дом четвертого порогового элемента, целью обеспечения заданного состава цир- пятый, шестой и седьмой пороговые элемен-. куляционной смеси с учетом динамических 20 ты, выходы четвертого и седьмого порогохарактеристик объекта и компенсацией воз- вых элементов подключены к обоим входам мущений в нормальном и предаварийном третьегоэлемента совпадения И, выходшестого порогового элемента соединен с перРабота системы может быть улучшена, вым входом четвертого элемента если в систему ввести контур стабилизации 25 совпадения И, три ограничителя, второй и расхода воздуха по байпасной магистрали третий регуляторы, выход первого ограни(фиг,З), включающий измеритель 41 расхода чителя связан с вторым клапаном, измеридополнительного воздуха и четвертый регу- тель состава, подключенный через третий лятор 42, связанный выходом с клапаном 12. регулятор к третьему входу второго ограниПри этом управление от ограничителя 31 ЗО чителя, формирователь положения первого выдается не на клапан 12, а в камеру зада- клапана, соединенный с входом седьмого. ния регулятора 42. При этом расход воздуха порогового элемента, и функциональный через клапан 12 поддерживается равным блок, отл и ч а ю щ а я с ятем, что, с целью заданию, поступающему от блока 29 через увеличения производительности процесса35 за счет повышения качества управления соРабота системы также может быть улуч- ставом смеси в системе циркуляции и прешена, если выходтретьего элемента 26 сов-. дупреждения аварийных режимов, она падения дополнительно подключить к входу дополнительно содержит компенсэтор, два формирования параметров настройки сумматора, логический элемент отрицания, третьего регулятора 10 (фиг.4). При этом па блок форсажа, пропорциональный элемент раметры настройки регулятора 10 корректи- и два пороговых блока, при этом выход заруются в зависимости от сигнала, датчика подключен также через компенсаформируемого элементом 26. тор к первому входу первого сумматора,Педложенная система может быть реэ- соединенному своим вторым входом с выхолизована как с использованием УВМ, так и 45 дом третьего ограничителя, а выходом - с на базе стандартных аналоговых средств первым входом второго регулятора, измериавтоматизации. Предложенная система тель основного расхода воздуха связан такобеспечивает по сравнению с прототипом же с вторым входом второго регулятора, более высокое качество управления соста- выход которого соединен с первым клапавомциркуляционнойсмеси,посколькуобес ном, выходы первого и второго пороговых печивает более полный учет динамических элементов подключены к первому и второму характеристик объекта и действие на объект входам первого ограничителя, выход функ- возмущений в нормальном и в предаварий- ционального блока параллельно соединен с ном режимах работы. Это приводит к повы- третьим входом первого ограничителя и вхошению стабильности процесса, 55 дами первого и второго пороговых блоков, предупреждению предэварийных режимов выходы которых подключены к вторым вхои увеличению его производительности. дам соответственно первого и второго элеФормула изобретения ментов совпадения И. выход второго 1.Системаавтоматическогоупрэвления элемента совпадения И связан с вторым процессом синтеза аммиака, содержащая входом логического элемента ИЛИ, подклю12 1634637 Составитель Г. ОгаджановРедактор М, Циткина Техред М,Моргентал Корректор Л. Пата аказ 729 Тираж 306 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва. Ж, Раушская наб., 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 ченного через элемент отрицания к первому и второму входам третьего ограничителя, измеритель температуры газа после конвертора второй ступени соединен также с входом пятого порогового элемента, подключенного своим выходом к второму входу четвертого элемента совпадения И, выход которого связан с вторым входом второго ограничителя, подключенного своим первым входом к выходу третьего порогового элемента, а выходом - к входу пропорционального элемента и к первому входу блока форсажа, второй вход которого соединен с выходом третьего элемента совпадения И, выходы пропорционального элемента и блока форсажа подключены к обоим входам второго сумматора, выход которого параллельно соединен с входом функционального блока и третьим. входом третьего ограничителя, а выход измерителя основного расхода воздуха связан также с входом шестогопорогового элемента.5 2. Система поп.1.отличающаясятем, что она дополнительно содержит измеритель дополнительного расхода воздуха ичетвертый регулятор, при этом измерительдополнительного расхода воздуха подклю 10 чен к первому входу четвертого регулятора,а выход первого ограничителя соединен свторым клапаном через второй вход четвертого регулятора,3. Система по пп.2 и 1, о т л и ч а ю щ а я 15 с я тем, что выход третьего элемента совпадения И подклк;чен также к входу формиро.вания параметров настройки третьегорегулятора.