Reaktor

Sterowanie pracą reaktora chemicznego
Celem ćwiczenia jest opracowanie na sterowniku programowalnym programu realizującego jednopętlowy układ
regulacji a następnie dobór nastaw regulatora zapewniających odpowiedni przebieg wielkości regulowanej.
Wprowadzenie
Panel dydaktyczny ET 722 symuluje statyczne i dynamiczne własności procesu
zachodzącego w reaktorze chemicznym. Odpowiedź panelu na zmianę sygnałów wejściowych
symuluje zachowanie się obiektu rzeczywistego. Aktualny stan procesu obrazowany jest
poprzez świecenie diód w odpowiednich miejscach płyty czołowej panelu.
Opis procesu
Panel dydaktyczny ET 722 symuluje przebieg procesu zachodzącego w reaktorze
chemicznym stwarzając możliwość regulacji temperatury i poziomu w reaktorze.
Q6
Mieszadło
Czynnik A
Czynnik B
M
Q1
V1
Q2
V2
PA
AI1
PB
AI2
Aktualny poziom
w reaktorze
Aktualna temp.
w reaktorze
V5
AV2
V3
AV1
V4
Odpływ medium
ogrzewającego
Dopływ medium
ogrzewającego
H
C
PC
Dopływ medium
chłodzącego
Odpływ medium
chłodzącego
AQ2
Q3
AQ1
Q4
Q5
Odpływ produktu
Rys.1 Schemat obiektu regulacji
Reaktor
Reaktor chemiczny otoczony jest płaszczem umożliwiającym ogrzewanie lub
chłodzenie czynników znajdujących się w reaktorze poprzez włączenie odpowiednio układu
doprowadzającego do płaszcza czynnik grzewczy lub chłodzący.
Wewnątrz reaktora znajdują się następujące elementy:
a) Sensor dokonujący pomiaru aktualnego stanu poziomu czynników znajdujących się
w reaktorze. Jest to sygnał wyjściowy panelu oznaczony symbolem "AI1".
Aktualny poziom w reaktorze jest wizualizowany przy pomocy dwóch
wyświetlaczy słupkowych, jednego usytuowanego wewnątrz symbolu zbiornika i
drugiego znajdującego się w prawej górnej części panelu, oznaczonego symbolem
"X, AI1".
b) Sensor dokonujący pomiaru aktualnej wartości temperatury czynników
znajdujących się w reaktorze. Jest to sygnał wyjściowy panelu oznaczony
symbolem "AI2". Aktualna wartość temperatury jest wizualizowana przy pomocy
wyświetlacza słupkowego znajdującego się w prawym dolnym rogu panelu,
oznaczonego symbolem "X, AI2".
c) Mieszadło wprawiane w ruch przez silnik "M". Przypadek, gdy mieszadło jest
włączone sygnalizowany jest poprzez świecenie diód wewnątrz symbolu reaktora,
świeci się również zielona lampka przy symbolu silnika "M".
Doprowadzenie czynników do reaktora
Doprowadzenie czynników do reaktora odbywa się przy pomocy dwóch zaworów
dwupołożeniowych:
• zawór "V1" (sygnał sterujący Q1) - doprowadzenie czynnika A -"PA"
• zawór "V2" (sygnał sterujący Q2) - doprowadzenie czynnika B -"PB"
Temperatura czynników jest stała i wynosi 5oC. Nad symbolem zaworu "V2" znajduje się
przycisk umożliwiający symulowanie zakłócenia. Przycisk ten umożliwia ręczne otwieranie
zaworu "V2" niezależnie od sygnału sterującego Q2.
Ogrzewanie
Analogowy zawór "AV2" (sygnał sterując "AQ2") umożliwia płynną (ciągła) regulację
ilości medium grzewczego H przepływającego przez płaszcz reaktora. Zakłada się, że zawór
"AV2" jest elementem bezinercyjnym, "czysto" proporcjonalnym, bez opóźnienia. Aktualny
stan otwarcia zaworu "AV2" jest obrazowany przy pomocy wyświetlacza słupkowego (YH,
AO2) w prawym dolny rogu panelu. Otwarcie zaworu powoduje zapalenie się zielonej lampki
sygnalizacyjnej przy jego symbolu.
Uwaga: Przepływ medium grzewczego H odbywa się tylko i wyłącznie, gdy otwarty jest zawór
analogowy "AV2" (dopływ) i zawór binarny "V5" (odpływ).
Przepływ medium grzewczego H obrazowany jest poprzez świecenie czerwonych diód
wewnątrz symbolu rurociągu "H" i płaszcza reaktora.
Chłodzenie
Zawór binarny "V3" (sygnał sterujący "Q3") otwiera dopływ medium chłodzącego C
do płaszcza reaktora. Otwarcie zaworu sygnalizuje zielona lampka przy jego symbolu.
Uwaga: Przepływ medium chłodzącego odbywa się tylko i wyłącznie, gdy otwarte są
równocześnie: binarny zawór "V3" (dopływ) i zawór "V4" (odpływ).
Przepływ medium chłodzącego C obrazowany jest poprzez świecenie pomarańczowych diód
wewnątrz rurociągu "C" i płaszcza reaktora.
Odprowadzenie produktu z reaktora
Odprowadzenie produktu końcowego C (oznaczenie PC) odbywa się poprzez otwarcie
zaworu "AV1" (sygnał sterujący "AQ1"). Jest to zawór analogowy umożliwiający płynną
(ciągłą) zmianę przepływu odprowadzanego produktu końcowego. Sterowanie zaworem
"AV1" odbywa się poprzez analogowe wyjście "AQ1". Aktualny stan otwarcia zaworu "AV1"
jest obrazowany przy pomocy wyświetlacza słupkowego "Y, AO1" w prawym górnym rogu
panelu. Otwarcie zaworu powoduje zapalenie się zielonej lampki sygnalizacyjnej przy jego
symbolu. Odpływ produktu końcowego jest sygnalizowany przez świecenie pomarańczowych
diód wewnątrz symbolu rurociągu oznaczonego symbolem "PC".
Wyświetlacze i potencjometry
Po prawej stronie płyty czołowej panelu znajduje się sześć wyświetlaczy i dwa
potencjometry, które podzielono na dwie sekcje (3 - wyświetlacze + potencjometr):
Wyświetlacz
Wskazanie
Oznaczenie
wartość zadana
poziomu
"W, AI3"
aktualny poziom w
reaktorze
"X, AI1"
czerwony
stopień otwarcia
zaworu "AV1"
"Y, AO1"
zielony
wartość zadana
temperatury
"W, AI4"
aktualna temperatura
w reaktorze
"X, AI2"
zielony
pomarańczowy
pomarańczowy
czerwony
stopień otwarcia
zaworu "AV2"
"YH, AO2"
Potencjometr u góry: ustawianie wartości zadanej poziomu "W,AI3"
Potencjometr u dołu: ustawianie wartości zadanej temperatury "W,AI4"
Program ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest opracowanie programu sterującego pracą reaktora chemicznego, który
spełnia następujące wymagania:
1. Program sterujący realizuje kolejne fazy procesu według następującej kolejności:
• Napełnianie reaktora (3.1)
• Ogrzewanie i stabilizacja temperatury produktu w reaktorze (3.2)
• Chłodzenie produktu (3.3)
• Opróżnianie reaktora (3.4)
2. Istnieje możliwość wybrania jednego z trzech trybów pracy :
• Tryb ręczny: w celu rozpoczęcia kolejnej fazy należy uaktywnić odpowiednie
wejście I1-I4,
• Tryb półautomatyczny: w przypadku gdy uaktywnione jest wejście I5 wszystkie
cztery fazy zostają wykonane jeden raz,
• Tryb automatyczny: w przypadku gdy uaktywnione jest wejście I6 wszystkie fazy
procesu wykonywane są cyklicznie w cyklu zamkniętym (po zakończeniu
opróżniania program automatycznie przechodzi do fazy napełniania).
3. Reaktor jest napełniany czynnikami A i B
• w stosunku objętościowym 1÷1, gdy wejście I7 nie jest uaktywnione,
• w stosunku objętościowym 2÷1, gdy wejście I7 jest uaktywnione.
Napełnianie reaktora
W tej fazie odbywa się napełnianie reaktora dwoma czynnikami (A i B). W celu
napełnienia zbiornika czynnikiem A lub B należy otworzyć odpowiednio zawór binarny V1
lub V2. Zbiornik należy napełnić dwoma czynnikami w zadanym stosunku objętościowym.
Ogrzewanie i stabilizacja temperatury w reaktorze
W celu ogrzewania i stabilizacji temperatury w reaktorze należy zastosować regulator
PID. Regulacja temperatury odbywa się przy pomocy zaworu analogowego AV2, który
umożliwia płynną zmianę przepływu medium ogrzewającego.
Początkowo temperatura produktu zmienia się zgodnie z zadaną krzywą, aż do
osiągnięcia temperatury zadanej (Tzad). Następnie temperatura jest stabilizowana przez pewien
czas tr. W tym okresie pracuje również mieszadło.
Chłodzenie produktu
Po otworzeniu zaworu V3 i V4 następuje przepływ medium chłodzącego. Faza
chłodzenia kończy się z chwilą osiągnięcia przez produkt temperatury jaką miał przed
podgrzaniem.
Opróżnianie reaktora
Opróżnianie reaktora odbywa się poprzez otwarcie zaworu analogowego AV1.
h(t)
hzad
T(t)
t
tr
Tzad
zadana
krzywa
Faza1
Faza2
Faza3 Faza4
t
Rys.2 Przebieg czasowy poziomu i temperatury w reaktorze
Schemat układu regulacji
Q6
V2
M
Q1
Q2
V1
PA
PB
AI1
Obiekt
V5
AV2
V3
H
AV1
C
[0, 10V]
V4
Q5
Q4
PC
T
[0,10V]
Q3
D/A
A/D
D/A
Tzad
A/D
+ 32000
+
Sterownik
CV
[320, 32000]
PID
+
0
[0, 32000]
PV
[0, 32000]
SP
[0, 32000]
BIAS = 0
Rys.3 Schemat układu regulacji temperatury w reaktorze chemicznym