aapc rezolvate cap 1

8/15/2019 AAPC Rezolvate Cap 1

1/12

Pagina nr. 1

1. Definiti sistemul chimi c . Structura unui sistem chimic. Ce intelegeti prin mărime de ieşire, perturbatie si mărime de execuţie. Aplicaţie la o coloana defracţionare.

Sistemul reprezintă un ansamblu de elemente aflate în interacţiune, căruia îi sunt specifice oorganizare şi un scop. Interacţiunile sunt concretizate prin fluxuri de masă, energie şi/sau

informaţie. Scopul asociat fiecărui sistem depinde de destinaţia acestuia.

Structura unui sistem chimic: I- vectorul intrare; Y - vectorul ieşire; P - vectorul perturbaţii; U -vectorul comandă.

Y

• Starea sistemului chimic este dată de variabilele termodinamice: temperatura T , presiunea P ,concentraţia C

Mărimile de intrare sunt mărimile independente asociate unui sistem. Mărimile de intrare suntfluxuri de masă şi/sau energie care intră sau ies din sistem. Aceste mărimi pot fi utilizate dreptcomenzi iar alte mărimi, fluxuri materiale sau energetice, care variază aleator influenţândnefavorabil sistemul, fapt pentru care aceste mărimi sunt considerate perturbaţii. Comenzile şi perturbaţiile asociate unui sistem reprezintă mulţimea variabilelor independent, figura 1.1.

Mărimile de ieşire sunt mărimi dependente şi sunt asociate în general calităţii produselorrezultate în sistemul chimic şi uneori cantităţii acestora. Valorile mărimilor de ieşire depind

direct de valorile comenzilor şi ale perturbaţiilor cât şi de modelul matematic al sistemului.

2. Sistem cu parametri i concentrati : definiţie, exemplu de proces chimic, prezentati modelul matematic in regim stationar al procesului, prezentatiaspecte specifice sistemelor automate specifice acestei categorii de procese

chimice.

Sistemele cu parametri concentraţi sunt acele sisteme la care functia f(M) este constanta.

Exemplul de sistem cu parametri concentraţi îl reprezintă un vas sub presiune. In interiorul vasului parametrul de stare presiunea are aceleaşi valori indiferent de poziţie.

- Starea sistemului chimic este dată de variabilele termodinamice: temperatura T , presiunea P ,concentraţia C

- În cazul în care funcţia f(M) nu mai este constantă, sistemul este cu parametri distribuiţi.Exemplul caracteristic îl constituie reactorul tubular (riserul de la instalaţia de cracare catalitică).Pentru acest tip de reactor, variabilele de stare, presiunea, temperatura şi concentraţia, au valoridependente de poziţia curentă a punctului M în interiorul reactorului.


2/12

Pagina nr. 2

Sistemele monovariabile sunt acele sisteme care sunt caracterizate printr-o singură mărime de intrare şi o singurămărime de ieşire. în această categorie se găsesc sisteme de reglare automată asociate unui singur parametru(temperatură, presiune, nivel).

Sistemele multivariabile sunt sisteme caracterizate prin mai multe variabile de intrare şi mai multe variabile deieşire. Exemplu de sistem chimic multivariabil îl reprezintă procesul de fracţionare al unui amestec binar. Acest

proces este caracterizat prin două variabile de intrare (comenzile procesului) şi două variabile de ieşire (concentraţiacomponentului volatil în distilat şi în reziduu). Fiecare mărime de intrare (comanda procesului) influenţează ambelemărimi de ieşire.

3. Automatizarea unui cuptor tubular, mărimile care caracterizeaza procesul chimic, schiţa sistemului de conducere, definiţi rolul fiecărui sistemde reglare automata.

Mărimile ce caracterizează sistemul chimic sunt următoarele : YT = [Ties, Tg, cg ]; UT = [Qc,Qaer, Qab ]; PT = [Qp, Tin, Taer, qinf ].

Structura sistemului de conducere are în compunere patru sisteme de reglare automată.

- Sistemul de reglare a temperaturii materiei prime- are rolul de a încălzi materia primă la o anumită temperatură - Sistemul de reglare a presiunii combustibilului lichid, -are rolul de a realizadispersia lichidului în picături cu diametru foarte mic. - Sistemul de reglare a presiunii diferenţiale abur/combustibil, - are rolul de-a creşte

gradul de pulverizare - Sistemul de reglare a concentraţiei oxigenului în gazele de ardere. – are rolul de-acreste calitatea arderii ce reprezinta un parametru economic al procesului de combustie.


3/12

Pagina nr. 3

Cuptorul tubular este destinat încălzirii şi vaporizării parţiale a petrolului supus prelucrării. Din punct de vedere constructiv cuptorul este vertical, având o zona de radiaţie şi o zonă deconvecţie. Cuptorul funcţionează cu aer cald insuflat, combustibilul lichid utilizat fiind păcura

4. Automatizarea unei coloane de fracţionare' , mărimile care caracterizeaza procesul chimic, schiţa sistemului de conducere, definiţi rolul fiecărui sistemde reglare automata.

Mărimile care caracterizează sistemul chimic sunt următoarele : Y = [ xD, xb, P ]; U = [ L, Qa, QL]; P =[ F, xF ].

Sistemul de conducere are o structură compusă din cinci sisteme automate cu acţiune după abatere:

- două sisteme sunt destinate reglării concentraţiei distilatului şi reziduului; (au ca agenţi dereglare debitul de reflux pentru reglarea compoziţiei distilatului şi debitul de abur pentrureglarea compoziţiei reziduului) – au de-a regla calitatea produselor separate.- două sisteme reglează nivelul în vasul de reflux şi în baza coloanei – au rolul de-a închidere a bilanţului material pe coloană şi de realizare a siguranţei în exploatare

- un sistem automat este destinat reglării presiunii în coloană. – are rolul de-a menţineconstant echilibrul lichid-vapori.

Se consideră o coloană de fracţionare a unui amestec binar (etilenă-etan, propilenă-propan).Coloana este prevăzută cu un refierbător pentru generarea fluxului de vapori prin coloană şi uncondensator utilizat la obţinerea refluxului lichid. Alimentarea , coloanei, caracterizată prin


4/12

Pagina nr. 4

debitul F şi concentraţia x F , este separată în două fluxuri: distilatul D, bogat în componenta maivolatilă şi reziduul B, sărac în componenta volatilă.

5. Proiectarea sistemelor de conducere a proceselor chimice : enumeraţi4 etape de proiectare a sistemelor de conducere a proceselor chimice,

detaliati metoda clasica utilizata la formularea obiectivelor reglării.

1. Formularea obiectivelor reglării 2. Identificarea variabilelor de ieşire 3. I denti fi carea vari abilelor de intrare 4. Identificarea restricţiilor 5. Caracter izarea modulu i de operare 6. Si guranţa în funcţionare 7. Proiectarea structur ii de reglare Metoda clasică constă în descompunerea instalaţiei chimice în procese unitare şiautomatizarea fiecărui proces unitar în parte. Astfel, dacă o instalaţie are în structura sa uncuptor tubular, un reactor chimic şi un sistem de coloane de fracţionare, toate aceste utilajeasociate proceselor unitare corespunzătoare vor fi automatizate individual, fără a ţine cont derelaţia şi interacţiunea dintre ele. Această abordare a problemei reglării este deficitară,deoarece, datorită unor conflicte între obiectivele reglării fiecărui proces unitar pot apareconflicte.

6. Proiectarea sistemelor de conducere o proceselor chimice: detaliatimetoda Plantwide Control utilizata la formularea obiectivelor reglării.

Etapa Formularea obiectivelor reglării. Un proces chimic este constituit dintr-o

succesiune de operaţii unitare (acumulare de lichid, acumulare de ga z, transfer de masă, transfer decăldură, reacţii chimice). Formularea obiectivelor reglării poate fi realizată prin două metode: metodaclasică şi metoda Plantwide Control.


5/12

Pagina nr. 5

Metoda Plantwide Control permite abordarea reglării proceselor chimice complexe, procese caracterizate prin existenţa reciclurilor de materiale sau de energie. Conceptul Plantwidecontrol reprezintă o nou mod de stabilire a structurii de reglare a instalaţiilor chimice custructura complexă, instalaţia fiind subiectul analizei procedurii de sinteză a structurii de reglare.Plantwide control este utilizat numai în domeniul strategiei de conducere a proceselor chimice.

Plantwide control se referă la deciziile structurale şi strategice implicate în proiectarea

sistemului de reglare a unei instalaţii chimice complete (chiar a unei întregi fabrici), iar

proiectarea structurii de reglare este abordarea sistematică (matematică) pentru rezolvarea

acestei probleme

Analiza sistemică a unei instalaţii de izomerizare pe baza conceptului Plantwide Control a identificat următoarele etape:

a) reprezentarea in trare- ieşire a sistemului chimic; b) identi f icarea subsistemelor si reprezentarea interacţiunilor dintre acestea; c) tratarea interacţiunilor intre subsisteme si specificarea restricţiilor; d) elaborarea structur ii de reglare aferente fiecărui subsistem izolat;e) bilanţarea automată a instalaţiei.

7. Proiectarea sistemelor de conducere a proceselor chimice : prezentatietapa identificării variabilelor de ieşire, problema semnalelor generate detraductoarele utilizate, aplicaţie la identificarea variabilelor de ieşire asociate procesului de combustie.

Acestea pot fi clasificate în variabile măsurabile şi variabile nemăsurabile. Variabilelemăsurabile sunt acele variabile pentru care există în prezent traductoare destinate măsurării acestora. Unelevariabile măsurabile nu pot fi măsurate datorită costului excesiv al sistemelor de măsurat. în această situaţieeste inclusă măsurarea concentraţiei, care este deseori prohibitivă şi ca atare nu este utilizată. Măsurareaconcentraţiei este recomandată pentru coloanele de fracţionare care separă produse finite destinatecomercializării directe.

După criteriul continuităţii în timp, variabilele măsurabile pot fi continue sau discrete,necesitând utilizarea unor tipuri de traductoare specifice. în cadrul variabilelor continue în timp sunt inclusedebitul, temperatura, presiunea, nivelul, concentraţia. Variabilele discrete sunt variabilele logice, măsuratecu ajutorul unor senzori specifici. Exemple de astfel de variabile sunt: un anumit nivel (minim sau maxim),

o anumită presiune, existenţa fenomenului de curgere, existenţa flăcării în cuptoare. După modul de transmisie al semnalelor generate de traductoare putem avea semnale

analogice de tipul 4-20 mA sau 0-5V şi semnale numerice transmise prin protocoalele de comunicaţieserială (RS485, HART) sau în reţea (PROFIBUS, FIELDBUS).

8. Proiectarea sistemelor de conducere a proceselor chimice : prezentalietapa identificării variabilelor de intrare, problema semnalelor generate detraductoarele utilizate, aplicaţie la identificarea variabilelor de intrare asociate procesului de combustie.


6/12

Pagina nr. 6

Acestea pot fi clasificate în perturbaţii şi agenţi de reglare. Selecţia agenţilor de reglare trebuierealizată în funcţie de disponibilitatea fluxurilor, amplificarea realizată asupra procesului şi nu în ultimulrând de gradul de disponibilitate şi mărimea fluxului respectiv. Această operaţie trebuie realizată în urmamodelării şi simulării statice şi dinamice a procesului chimic.

Perturbaţiile unui proces chimic sunt împărţite în perturbaţii măsurabile şi perturbaţiinemăsurabile. Măsurarea unei perturbaţii poate fi realizată numai dacă această mărime poate da indicaţiiutile operatorului sau dacă mărimea intervine în cadrul unui algoritm de reglare evoluat. Toate variabilele

de intrare pot avea variaţii continue sau discontinue.

9. Proiectarea sistemelor de conducere a proceselor ch imice: prezentatietapa caracterizarii modului de operare, prezentati un exemplu de proces

operat continuu, prezentati specificul sistemelor automate de reglare pentru

modul continuu de operare.

In funcţie de structură, procesul chimic poate fi oper at în mod continuu, semicontinuu saudiscontinuu.

Procesele continue sunt reprezentate prin distilare atmosferică, reformare catalitică, cracare

catalitică. Pentru aceste procese sunt utilizate sisteme automate prevăzute cu traductoare pentru variabilecontinue în timp. Procesele sunt operate pe perioade mari de timp, în condiţii cvasiconstante, regimurilestaţionare fiind foarte importanţe iar performanţele tehnico-economice fiind în strânsă legătură cu acesteregimuri. Pentru creşterea performanţelor acestor procese se recomandă proiectarea unor sisteme dereglare optimală, care să asigure funcţionarea sistemului chimic la parametrii optimi.

10. Sisteme de reglare cu acţiune dupa abatere: legea reglării, structurasistemului automat, algoritmul de reglare proportional, exemplificare la un

sistem de reglare a temperaturii pentru un cuptor tubular.

Legea reglării după abatere. Sistemele automate din aceasta categorie au proprietatea de acompara în permanenţă starea curentă cu starea de referinţă şi atunci când constată apariţia unor

diferenţe (abateri) între referinţă şi starea curentă emit comenzi pentru eliminarea abaterilor .

Cei mai răspândiţi algoritmi de reglare sunt: algoritmul proporţional P, algoritmul

proporţional- integrator PI şi algoritmul proporţional-integrator-derivator PID.

P - proces; T -

traductor; C - regulator; i - mărime de referinţă;EE - element de

execuţie;

r - mărime de reacţie;u - comandă; m -

mărime de execuţie; p - perturbaţie; y - mărime de ieşire


7/12

Pagina nr. 7

Regulatorul cu actiune dupa abatere :

EC= element comparator

BC= bloc de calcul

Blocul de calcul BC elaboreaza comanda u dupa

functia u=f(e) unde e este eroarea.

Pt comutatorul K=direct e=i-r; iar pt comutatorul K=invers e=r-i

Altgoritmul proportional este descris in forma analogica de relatia u=u0+K pek ;

kp=coeficient de proportionalitate(de amplificare); Sub forma discretă, algoritmul regulatorului P devine

: uk =u0+K pek , unde k reprezintă momentul de timp la care se realizează eşantionarea.

11. Sisteme de reglare cu acţiune dupa abatere: legea reglării, structurasistemului automat, algoritmul de reglare proportional-integrator,

exemplificare la un sistem de reglare a combustiei pentru un cuptor tubular.

Legea reglării după abatere. Sistemele automate din aceasta categorie au proprietatea de a

compara în permanenţă starea curentă cu starea de referinţă şi atunci când constată apariţia unor

diferenţe (abateri) între referinţă şi starea curentă emit comenzi pentru eliminarea abaterilor .

Cei mai răspândiţi algoritmi de reglare sunt: algoritmul proporţional P, algoritmul

proporţional- integrator PI şi algoritmul proporţional-integrator-derivator PID.

P - proces; T - traductor; C -

regulator; i - mărime dereferinţă; EE - element deexecuţie;

r - mărime de reacţie; u -comandă; m - mărime deexecuţie; p - perturbaţie; y -

mărime de ieşire

Regulatorul cu actiune dupa abatere :

EC= element comparator

BC= bloc de calcul

Blocul de calcul BC elaboreaza comanda u dupa

functia u=f(e) unde e este eroarea.


8/12

Pagina nr. 8

Pt comutatorul K=direct e=i-r; iar pt comutatorul K=invers e=r-i

Altgoritmul proportional integrator are expresia analogica:

Iar expresia discretizata are forma:

, unde τ reprezinta perioada de

esantionare

Implementare industriala :

12. Sisteme cu acţiune d upa per turbatie legea reglării, structurasistemului automat, determinarea algoritmului de reglare, exemplificare la

un sistem de reglare a temperaturii pentru un cuptor tubular.

Legea reglarii dupa perturbaţie. Sistemele din aceasta categorie au proprietatea de a observa în

permanenţă evoluţia perturbaţiilor şi atunci când constată modificări ale acestora emit comenzi decompensare a efectului perturbaţiilor, simultan cu acţiunea acestora, astfel încât starea curentă să nu semodifice în raport cu starea de referinţă.

P - proces; T - traductor;

C - regulator; i - mărime de referinţă;

EE -element de execuţie;

r - mărime de reacţie; u - comandă;

m -mărime de execuţie;

p - perturbaţie; y - mărime de ieşire

Variatia ∆y a marimii reglate este data de ∆y=∆y1+∆y2, unde ∆y1 si∆y2 sunt variatiile marimii de iesire pecanalul natural si artificial de transmitere a efectelor perturbatilor.

Functia de trasfer a regulatorului cu actiune dupa perturbatie este

Determinarea algoritmului de reglare cu acţiune după perturbaţie implică cunoaşterea modelului procesului pe cele

două canale.

In cazul în care funcţiile de transfer pentru cele două canale nu pot fi determinate, algoritmul dereglare după perturbaţie se descompune în două componente: o componentă a regimului staţionar şi ocomponentă a regimului dinamic.


9/12

Pagina nr. 9

Modelul stationar al procesului :

In regim staţionar, mărimea de ieşire este egală cu mărimea prescrisă, respectiv y=i. Substituind formal mărimea prescrisă în locul

mărimii de ieşire se poate obţine o relaţie care reprezintă componentastaţionară a algoritmului de reglare cu acţiune după perturbaţie

Componenta dinamică poate avea forma ecuaţiei diferenţiale : , τ=timpul mort pe canalul marime de executie-marime de iesire.

Structura de reglare a temperaturii asociata unui cuptor tubular:

13. Conducerea optimala a cuptorului tubular, caracteristica statica a cuptorului tubular,caracteristica statica a cuptorului prevăzut cu SRA-T, algoritmul de optimizare.

Unui sistem chimic i se poate asocia o mărime suplimentară, numită, funcţie de performanţă sau funcţie obiectiv,cu ajutorul căreia se apreciază performanţele funcţionării sistemului. Funcţia obiectiv poate fi asociată regimuluistaţionar sau dinamic, delimitând astfel optimizarea dinamică de optimizarea staţionară. Prin conducere conducereoptimala se intelege determinarea comenzilor u asociate sistemului chimic, astefel incat functia de performanta sa fie

minima(maxima).

Gmp - debit de materie primă; Tin/Ties - temperatura de intrare/ieşire a materiei prime; B - debitul de combustibil; α - coeficientul cantităţi de aer;xO2 - concentraţia oxigenului în gazele de ardere.

Sistemul cuptor tubular este caracterizat prin mărimile :

Modelul matematic al procesului, Y = f(P,U), are forma:

i p F u s ,

t uudt

dua

su


10/12

Pagina nr. 10

Caracteristica statica a cuptorului tubular prevazut cu SRA-T

Algoritmul de optimizare este denumit regulatorul extremal pas cu pas. în cazul determinării minimului, relaţiile cecaracterizează regulatorul extremal pas cu pas sunt următoarele :

,avand conditiile initiale :

în care : k - pasul curent de explorare; u - valoarea argumentului funcţiei obiectiv; ∆u – valoarea pasului de cautare,Fob - valoarea functiei obiectiv; r – sensul de explorare (1 pt. sensul de crestere, -1 pt. sensul de scadere)

14. Sisteme ierarhi ce de conducere automata', structura de conducere ierarhica a procesului de fracţionare propena-propan, schema bloc a regulatorului cu acţiune dupa perturbatie, funcţia obiectiv.

Sistemele de ierarhice de conducere automata au fost proiectate si realizate, in vederea cresterii eficienteieconomice, in raport cu industria chimica.

Fracţionarea sau distilarea fracţionată este cea mai răspândită operaţie de separare a amestecurilor încomponente pure sau fracţiuni

Structura ierarhică de conducere a procesului de fracţionare a amestecului propenă-propan are 3 niveluriierarhice :

- Nivelul 1 al automatizării de bază. - Nivelul 2 al reglării concentraţiilor produselor separate cuacţiune după perturbaţie - Nivelul 3 al reglarii optimale a procesului de fractionare.Schema bloc a regulatorului cu acţiune dupa perturbatie pentrueste urmatoarea:

uk r k uk u 1

1;11;1

k f k f k r k f k f k r k r

obob

obob

0

01

11

uu

uu

r

aa Bib3i Bob Qc x B Δp M 10 x F 44


11/12

Pagina nr. 11

Regulatorul optimal asociat nivelului conţine funcţia obiectiv de forma

:

Legătura dintre variabilele funcţiei obiectiv şi comenzile procesului este data de relaţia

Q a este debitul de abur [t/h]; c a - costul aburului [lei/t]; ∆p - diferenţa dintre preţurile de vânzare a distilatului (propena)şi a produsului din bază (propan) [lei/t]; B - debitul de produs din bază [kmol/h]; x‘b - concentraţia impusă propenei în produsul de baza [fracţii molare].

15. Sisteme ierar hi ce de conducere automata : structura de conducere a procesului defracţionare cu doua niveluri ierarhice, aspecte particulare ale funcţiei obiectiv, algoritmi

de determinare a minimului.

Reglarea optimala a coloanei de fracţionare este o problema tehnico-economică, fiind dependentă de evoluţia

preturilor.

Astfel, în contextul modificării preţurilor celor două produse, reflectate prin ∆ p s sau a preţului aburului ca , aspectul funcţiei obiectiv se schimbă substanţial, mergând până la dispariţia punctului de optim în domeniul tehnic de

operare al coloanei.

Regulatorul optimal asociat nivelului conţine funcţia obiectiv de forma

:


12/12

Pagina nr. 12

Legătura dintre variabilele funcţiei obiectiv şi comenzile procesului este data de relaţia

Q a este debitul de abur [t/h]; c a - costul aburului [lei/t]; ∆p - diferenţa dintre preţurile de vânzare a distilatului (propena)şi a produsului din bază (propan) [lei/t]; B - debitul de produs din bază [kmol/h]; x‘b - concentraţia impusă propenei în produsul de baza [fracţii molare].

Pentru determinarea poziţiei optimului au fost utilizaţi algoritmi din clasa metodelor de eliminare si anume :

- algoritmul Fibonacci,- algoritmul secţiunii de aur, - algoritmul perechilor secvenţiale.

aapc rezolvate cap 1

Documents