II. Sisteme de conducere automata a cuptoarelor tubulare

1. Probleme privind automatizarea cuptoarelor tubulare – criteriul geometric: schite ale

cuptoarelor tubulare, specificul sistemelor automate in raport cu criteriul geometric

Geometria cuptorului tubular

Probleme privind automatizarea cuptoarelor tubulare

Temperaturi:

– reglarea temperaturii produsului încălzit, Ties, în cascadã cu debitul (presiunea)

combustibilului;

– măsurarea temperaturii produsului la intrarea în cuptor, Tin, în scopul bilanţării

automate a cuptorului;

– măsurarea în diferite puncte a temperaturii produsului în serpentina amplasată în secţia

de radiaţie, în scopul asigurării unui profil impus de temperatură;

– măsurarea temperaturii pereţilor exteriori ai tubulaturi, din secţia de radiaţie şi din secţia

de convecţie, în scopul monitorizării procesului şi încadrării temperaturii în limitele

admise;

– măsurarea suplimentară a temperaturii produsului, Ties, în scopul verificării

corectitudinii traductorului de temperatură inclus în cadrul SRA-T.

Debite:

– măsurarea şi/sau reglarea debitului de produs încălzit, în scopul bilanţării automate şi

reglării capacităţii de prelucrare a cuptorului;

– măsurarea şi/sau reglarea debitului de combustibil, în scopul bilanţării automate a

cuptorului;

– măsurarea şi reglarea debitului de aer în scopul reglării automate a combustiei.

Analize :

– măsurarea concentraţiei oxigenului şi a monoxidului de carbon din gazele de ardere

pentru monitorizarea şi reglarea procesului de combustie;

– măsurarea densităţii sau compoziţiei combustibilului, pentru bilanţarea automată a

cuptorului şi reglarea automată a combustiei şi temperaturii, utilizând algoritmi de reglare

performanţi.

Presiuni:

– măsurarea presiunii produsului la intrarea şi ieşirea din cuptor, în scopul monitorizării

evoluţiei depunerilor de cocs din interiorul tuburilor şi calculul unor indicatori tehnologici

legaţi de prelucrarea materiei prime (calculul fracţiei vaporizate a produsului tehnologic

sau conversia reacţiilor chimice);

– măsurarea şi reglarea presiunii combustibilului gazos la intrarea în arzător, în scopul

supravegherii combustiei şi reglării temperaturii produsului;

– măsurarea presiunii gazelor arse în focar, în scopul supravegherii circulaţiei gazelor arse

şi a sensului flăcării în secţia de radiaţie.

2. Probleme privind automatizarea cuptoarelor tubulare – criteriul numarului de sectii de

radiatie: schite ale cuptoarelor tubulare, comparatie intre sistemele de reglare a

temperaturii produsului incalzit, prezentati traductoarele de temperatura

Numărul de secţii de radiaţie

Traductorul de temperatura este de tip termocuplu. Elementul sensibil TE este

reprezentat de un termocuplu Fe-Co. Termocuplul este montat în conductă. Acest element

generează un semnal electric, respectiv o tensiune electromotoare de ordinul a 1 mV. Semnalul

electric este captat de un adaptor tensiune-curent, TT. Acesta va genera un semnal electric,

curent continuu 4...20 mA, către regulatorul de temperatura TIC. Semnalul este figurat printr-

o linie întreruptă. Acesta este un generator de comenzi, curent continuu 4...20 mA, către

convertorul electropneumatic TY, linia de semnal fiind o linie întreruptă. Convertorul

electropneumatic va genera un semnal în gama 0,2...1 bar, linia de semnal fiind specifică

semnalelor pneumatice. Servomotorul pneumatic TV va primi acest semnal şi va acţiona

asupra organului de reglare, în speţă un robinet cu un scaun. Legătura dintre servomotor şi

organul de reglare este fizică, fiind realizată prin linie continuă.

Componenţa termocuplului şi circuitul de măsură asociat

0TTUUe ABBA

Traductorul de temperatură cu termorezistenţă

Principiul de funcţionare 2

0 1 TTRRT

3. Probleme privind automatizarea cuptoarelor tubulare – criteriul natura circulatiei

aerului si a gazelor de ardere: schite ale cuptoarelor tubulare, comparatie intre

sistemele de reglare a debitului de aer, problema traductoarelor de debit de aer

Natura circulaţiei aerului şi a gazelor de ardere

Traductoare de debit de aer

Ajutaj cu rază lungă

Relaţii de calcul pentru proiectarea elementului sensibil

ρPAαQm 20

PAQv

20

22

2211

1

wP

wP

ooo

000111 AwρAwρ

2

0

1

10

ρ

21

1

Q

APAA

12

2

2

2

b

y

a

x

2

2

1a

xby

4. Probleme privind automatizarea cuptoarelor tubulare – criteriul natura combustibilului

utilizat: schite ale sistemelor automate, comparatie intre sistemele de reglare a

temperaturii produsului incalzit, traductorul de presiune

Natura combustibilului utilizat

Traductorul de presiune PT este montat pe un ştuţ al vasului de reflux. Traductorul de

presiune generează un semnal electric, curent continuu 4„, 20 mA, către regulatorul de presiune

PIC. Semnalul este figurat printr-o linie întreruptă Acesta este un generator de comenzi, curent

continuu 4...20 mA, către convertorul electropneumatic PY, linia de semnal fiind o linie

întreruptă. Convertorul electropneumatic va genera un semnal în gama 0,2... 1 bar, linia de

semnal fiind specifică semnalelor pneumatice. Servomotorul pneumatic PV va primi acest semnal

şi va acţiona asupra organului de reglare, respectiv asupra unui robinet cu un scaun. Legătura

dintre-servomotor şi organul de reglare este fizică, fiind realizată prin linie continua.

5. Probleme privind automatizarea cuptoarelor tubulare – criteriul numarul de circuite

paralele: schite ale cuptoarelor tubulare, schita sistemului de echilibrarea temperaturii

circuitelor paralele, prezentati traductoarele de temperatura

Numărul de circuite paralele

Traductorul de temperatura este de tip termocuplu. Elementul sensibil TE este

reprezentat de un termocuplu Fe-Co. Termocuplul este montat în conductă. Acest element

generează un semnal electric, respectiv o tensiune electromotoare de ordinul a 1 mV. Semnalul

electric este captat de un adaptor tensiune-curent, TT. Acesta va genera un semnal electric,

curent continuu 4...20 mA, către regulatorul de temperatura TIC. Semnalul este figurat printr-

o linie întreruptă. Acesta este un generator de comenzi, curent continuu 4...20 mA, către

convertorul electropneumatic TY, linia de semnal fiind o linie întreruptă. Convertorul

electropneumatic va genera un semnal în gama 0,2...1 bar, linia de semnal fiind specifică

semnalelor pneumatice. Servomotorul pneumatic TV va primi acest semnal şi va acţiona

asupra organului de reglare, în speţă un robinet cu un scaun. Legătura dintre servomotor şi

organul de reglare este fizică, fiind realizată prin linie continuă.

Componenţa termocuplului şi circuitul de măsură asociat

0TTUUe ABBA

Traductorul de temperatură cu termorezistenţă

Principiul de funcţionare 2

0 1 TTRRT

6. Modelarea matematica a combustiei: tipuri de reactii chimice, schema structurala a

procesului de combustie, regimuri de exploatare pentru arderea teoretica,

caracteristica statica a monoxidului de carbon in raport cu coeficientul cantitatii de aer

Modelarea combustiei

teoreticaer

realaer

1min

1,1

1,1 C 1

min04,51

L

cC

Monoxid de carbon

min04,562 Lhcx idC

id

7. Modelarea matematica a combustiei: tipuri de reactii chimice a carbonului, schema

structurala a procesului de combustie, regimuri de exploatare pentru arderea reala,

caracteristica statica a oxigenului in raport cu coeficientul cantitatii de aer

teoreticaer

realaer

1min

1,1

1,1 C 1

min04,51

L

cC

Caracteristica Oxigen asociată gazelor de ardere

8. Modelarea transferului termic: schema structurala a procesului de transfer termic,

algoritmi numerici de solutionare a modelului

Modelarea transferului termic

Algoritmul de identificare al sistemelor de ordinul I

Modelul matematic al unui proces aproximat printr-un sistem de ordinul I: ibyya

Soluţia ecuaţiei diferenţiale:

taeibty

1

1

Funcţia obiectiv utilizată :

m

j

ta

j

j

eubyaF1

21

1

Rezolvarea problemei de optimizare : 011

21

2

/

m

j

atj

j

atj

ji eibya

ebtda

dF

Sistem de notatii

22

2

1

2

1

3

1

1

2

2

2

ubc

ubc

ets

ets

j

j

ta

m

j

j

ta

m

j

j

Ecuatie neliniara 0111

232222211 a

sca

sca

scaf

9. Modelarea matematica a sectiei de radiatie: schema structurala a sectiei de radiatie,

perturbatii si comenzi, caracteristica statica a monoxidului de carbon si a oxigenului in

raport cu coeficientul cantitatii de aer

Modelul matematic al secţiei de radiaţie

Caracteristica Monoxid de carbon asociată gazelor de ardere

Caracteristica Oxigen asociată gazelor de ardere

10. Caracteristici statice ale cuptoarelor tubulare: temperatura de iesire - perturbatii ale

procesului, temperatura de iesire - comenzi ale procesului

?

11. Caracteristici statice ale cuptoarelor tubulare: compozitia gazelor arse in raport cu debitul

de aer sau coeficientul cantitatii de aer

12. Identificarea dinamicii proceselor asociate cuptoarelor tubulare: modelul elementului

aperiodic de ordinul 1, solutia in domeniul timpului, structura functiei obiectiv,

modalitati de determinare a optimului

Identificarea experimentală

Modelul matematic al unui proces aproximat printr-un sistem de ordinul I : ibyya

Soluţia ecuaţiei diferenţiale :

taeibty

1

1

Funcţia obiectiv utilizată :

m

j

ta

j

j

eubyaF1

21

1

Rezolvarea problemei de optimizare 0da

dF; 01

12

12

/

m

j

atj

j

atj

ji eibya

ebtda

dF

13. Structuri de reglare dupa abatere a temperaturii: structura de reglare clasica, structura

de reglare pentru cuptoare alimentate cu combustibil gazos, principiul de functionare

al unui termocuplu

Structura de reglare clasică

Structura de reglare a temperaturii pentru cuptoare alimentate cucombustibil gazos

Traductorul de temperatură tip termocuplu

Componenţa termocuplului şi circuitul de măsură asociat : 0TTUUe ABBA

14. Structuri de reglare dupa abatere a temperaturii: structura de reglare pentru cuptoare

prevazute cu combustibil lichid, caracteristici statice ale termocuplurilor, probleme ale

cablurilor de legatura

Structura de reglare a temperaturii pentru cuptoare prevazute cu combustibil lichid

Traductorul de temperatură tip termocuplu

Caracteristicile electrice ale tipurilor de termocupluri

Circuitul de măsură

15. Structuri de reglare dupa perturbatie a temperaturii: conceptul bazat pe functii de

transfer, structura sistemului de reglare cu actiune dupa perturbatie, ecuatia

regulatorului cu actiune dupa perturbatie

Conceptul proiectării regulatorului bazat pe funcţiile de transfer

21 yy

sPsHsU C

sPsHsY 11

sPsHsHsY C 22

sH

sHsHC

2

1

Proiectarea şi simularea sistemelor de reglare automată bazate pe funcţiile de transfer

Modelul dinamic al procesului: mpc QQTT 0025,0186,0300

Functia de transfer pe canalul perturbatie- temperatura : 1300

0025,01

ssH

Functia de transfer pe canalul comanda-temperatura : 1300

186,02

ssH

Functia de transfer a regulatorului : 01344,0186,0

0025,0

1300

186,01300

0025,0

s

ssHC

16. Structuri de reglare dupa perturbatie a temperaturii: conceptul bazat pe separarea

componentei stationare de componenta dinamica, structura sistemului de reglare cu

actiune dupa perturbatie, exemplu de model matematic al regulatorului

Conceptul proiectării regulatorului bazat pe separarea componentei staţionare de

componenta dinamică

Componenta staţionară : 0,, yupH

Comanda stationara : ipGus ,

Componenta dinamică : usu tuudt

dua

Proiectarea şi simularea sistemelor de reglare automată bazate pe separarea componentei

staţionare de componenta dinamică

Modelul matematic în regim staţionar al procesului :

1infq

TTcGB

iniespmp

Componenta staţionara a regulatorului : in

i

iespmps TTkGB 410702,2 pk [C-1]

Componenta dinamica a regulatorului : BsB tBBdt

dBa 5Ba min

2B min

17. Sisteme de masurat debitul – traductorul de debit cu diafragma: schita diafragmei,

relatia de calcul a debitului masic, algoritm de calcul al debitului, algoritm de calcul a

diafragmei

Traductorul de debit cu diafragmă

1

2 24

pdQm

1

2 24

pdCEQm

75,06

5,281,2

Re

100029,01840,00312,05959,0

D

C

3'

2

144

1 0337,010900,0 LL

D

d

m

v

QQ

41

1

E

1

435,041,01p

p

Algoritmul pentru calculul debitului prin diafragmă

0mQg

PdCEQQg mm

24

2

KCQQg mm

Pd

EK

24

2

Algoritmul pentru calculul diametrului diafragmei

0dg

PdCEQdg m

24

2

2KCdQdg m

4

2 PEK

18. Sisteme de masurat debitul – traductorul de debit tip ajutaj cu raza lunga: schita

traductorului, relatia de calcul pentru debitul masic, ecuatia lui Bernoulli, ecuatia de

conservare a masei, ecuatia elipsei

?

19. Sisteme de reglare a combustiei bazata pe raportul aer/combustibil: structura de

reglare bazata pe clapete conjugate, structura clasica de reglare, sistemul de masurare

a debitului de combustibil

Reglarea raportului aer/combustibil utilizând clapete conjugate

Structura de reglare clasică

20. Sisteme de reglare a combustiei bazata pe raportul aer/combustibil: comparatie intre

structura clasica si structura de reglare antifum, senzorul utilizat la masurarea debitului

de aer

Traductor magnetic de oxigen

1 – tor

2 – tub orizontal de sticlă

3, 4 – piese polare ale magnetului permanent;

R1, R2 – rezistenţe bobinate

U – semnalul de ieşire

Structura de reglare clasică

Structura de reglare antifum

21. Structuri de reglare a combustiei bazate pe continutul de oxigen din gazele de ardere:

traductoare de masurat oxigen, structura de reglare clasica, structura de reglare a

concentratiei oxigenului bazata pe raportul aer/combustibil

Structura clasică de reglare a concentraţiei oxigenului din gazele de ardere

Structura de reglare a concentraţiei oxigenului prin intermediul raportului aer/combustibil

22. Structura de reglare a combustiei: structura de reglare clasica, caracteristici de lucru ale

robinetelor de reglare, structura de reglare bazata pe modificarea turatiei motorului

electric, schema bloc a unui convertizor static de frecventa

Structura clasică de conducere a unui cuptor tubular

Convertizorul static de frecvenţă

R - redresor

I – invertor

UC – regulator de tensiune

BCG – bloc de comandă pe grilă

UT – traductor de tensiune

CTF – convertizor tensiune - frecvenţă

BDI – bloc distribuţie impulsuri

AF – amplificatoare finale

23. Structuri de reglare optimala a combustiei: caracteristica statica a temperaturii de iesire

– comanda procesului de combustie pentru cuptorul prevazut cu SRA-T, functia obiectiv,

algoritmul de optimizare, structura sistemului automat optimal

Caracteristica statică a cuptorului tubular prevăzut cu SRA-T

Stabilirea funcţiei obiectiv asociate sistemului aercob QfQf

Algoritmul de optimizare

Tehnici de optimizare Algoritm de reglare extremala

Sensul de cautare:

0000

0000

,

,

xfxxfx

xfxxfxx

1;1

1;1

kfkfkr

kfkfkrkr

obob

obob

Relatia de explorare: xxx kk 1 ukrkuku 1

Pozitia optimului: 0

1

0

1 , xxxxx kkopt

Proiectarea structurii sistemului de conducere optimală

Implementarea sistemului automat

24. Structuri de echilibrare automata a temperaturii circuitelor paralele: problema

cuptoarelor cu circuite paralele, prezentati un algoritm de calcul, schema sistemului

automat

Structura clasică de conducere pentru cuptoarele cu două circuite paralele

Schema bloc a procesului de transfer termic asociat cuptorului tubului al instalaţiei DA

cu două circuite paralele

Algoritm de reglare PI pentru cuptoare cu două circuite paralele

Definirea erorii : 21 TTe

Calculul comenzii pentru circuitul 1 :

t

i

p edtT

eKuu0

01

1

Calculul comenzii pentru circuitul 2 : 122 mMmu