Разработка системы управления процессом дробления карбида кремния



Встатье рассмотрены технологические особенности процесса дробления карбида кремния и приведены варианты систем регулирования параметрами процесса.

Ключевые слова: технологический процесс, карбид кремния, регулирование температуры.

Современный рынок технологий обеспечивает широчайший выбор средств автоматизации. Благодаря достижениям науки и техники стало возможным решение ранее невыполнимых задач. Среди таких достижений сверхбыстрое увеличение вычислительных мощностей наряду с уменьшением габаритов вычислительных устройств. Операции, ранее выполняемые вручную требующие затрат сотен тысяч человеко-часов ныне можно заменить машинным трудом, а в опасных средах практически полностью исключить участие человека из технологического процесса.

Целью проекта является минимизация затрат человеческих ресурсов на производство, сокращение влияния человеческого фактора на технологический процесс до минимума, а также перейти от системы контроля и регулирования на систему полностью автоматизированного процесса на базе современных цифровых измерительных устройств и микропроцессорной вычислительной техники. В результате применения современных технологий АСУ ТП к процессу дробления карбида кремния увеличилось качество регулирования, точность измерений, возросло общее быстродействие системы, открылись новые возможности благодаря современным средствам АСУ ТП реализуемые программами верхнего порядка, повысилось качество представления информации, её точность и актуальность. Структура системы управления стала более гибкой, что позволяет без труда использовать любые схемы автоматизации.

Процесс происходит в результате соударения двух струй, движущихся на встречу друг другу в помольной камере, и состоящих из носителя — дымовых газов, и исходного материала — карбида кремния (Рисунок 1). После измельчения взвешенный в дымовых газах абразив поднимается в разделительный бункер, где разделяется на две фракции, и либо возвращается на доизмельчение, либо проходит на следующий этап процесса сепарации [1].

Рассматриваемая система, в общем, является системой прямого действия, и все выходные регулируемые величины других участков являются также входными одновременно входными для других. Например, расход природного газа по отношению к расходу воздуха, служит входным воздействием по отношению к давлению и температуре дымовых газов в разгонных трубках газоструйной мельницы, а давление взвешенного в дымовых газах абразива бункере служит также входным сигналом, влияющим на режим работы дутьевого вентилятора.

Рис. 1. Упрощённая технологическая схема процесса дробления карбида кремния

В рассматриваемом процессе дробления карбида кремния в газоструйной мельнице основными рабочими продуктами являются: природный газ и атмосферный воздух, отходами горения которых являются дымовые газы. Однако в данном процессе дымовые газы являются основным рабочим продуктом.

Система автоматизации процесса дробления карбида кремния строится вокруг основных показателей эффективности:

– энергетические затраты на процесс дробления;

– производительность газоструйной мельницы;

– дисперсность продукта по окончании технологического процесса [2].

Целью управления процессом является поддержание технологических параметров на необходимом уровне, а именно температура среды в разгонных трубках, при оптимальной производительности газоструйной мельницы; обеспечить минимальные энергетические затраты для поддержания показателей на необходимом уровне, при условии, что процесс будет безаварийным, безопасным и непрерывным.

Выбирается одноконтурная замкнутая система автоматического регулирования (САР) температуры в разгонных трубках путём регулирования расхода газа.

Выбор канала внесения регулирующего воздействия сделан из следующих соображений:

– при установке регулирующего клапана на линии начального продукта производительность мельницы не будет величиной постоянной, что приводит к нарушению второго показателя эффективности;

– изменение расхода начального продукта недопустимо, если начальный продукт поступает в следующий процесс на переработку, так как изменение расхода начального продукта будет вызывать изменение нагрузки следующего аппарата.

Выбранная САР температуры разгонных трубок может не обеспечить требуемое качество регулирования, т. к. данная система не предусматривает наличия автоматического регулирования содержанием в газовоздушной смеси воздуха, а также наличия возмущающих воздействий при регулировании температуры.

Для повышения качества регулирования температуры среды в разгонных трубках мельницы необходимо провести анализ возмущающих воздействий и по возможности, устранить их до объекта.

При изменении расхода газа и его калорийности в мельницу поступают возмущения. Одно из этих возмущений, в частности, изменение расхода газа, можно устранить до объекта, используя одноконтурную разомкнутую САР расхода газа.

Эта система сделает расход газа устойчивым, но на все остальные возмущения реагировать не будет. Поэтому выбирается двухконтурная САР расхода газа с коррекцией данных по температуры от пирометра на запальном устройстве. Регулятор температуры будет реагировать на все остальные возмущения как внутренние, так и внешние, в том числе и на изменение калорийности газа и корректировать задание регулятору расход газа.

Если при изменении калорийности газа в мельницу будут поступать большие возмущения, то выбранная двухконтурная САР может не обеспечить качество регулирования. Необходимо выбрать такую систему, которая бы на изменение калорийности реагировала с минимальным запаздыванием.

Такой системой является САР температуры среды в размольной камере формированием качественной газовоздушной смеси путём одновременного регулирования подачи воздуха и газа для поддержания необходимой калорийности горения.

Итак, выбирается САР температуры среды в размольной камере. Путём изменения притока газа с коррекцией по температуре горения газа в разгонных трубках, а также коррекцией подачи подогретого воздуха тем самым изменяя условия образования газовоздушной смеси, задавая необходимые параметры горения.

Вторым требованием к процессу является обеспечение оптимальной производительности мельницы. С этой целью необходимо сделать постоянным расход сырья. Это делается при помощи одноконтурной разомкнутой САР расхода сыпучих веществ, но не всегда такое возможно.

Если крупка поступает из предыдущего процесса, то производительность мельницы определяется производительностью предыдущих аппаратов и кроме того в последующий процесс будут вноситься возмущения, что также нежелательно.

Если с изменением расхода абразивной крупки возмущения не велики, то выбранная двухконтурная САР температуры горения газовоздушной смеси обеспечит требуемое качество. Если же изменение расхода сырья носит частый и резкий характер, то для повышения качества регулирования можно выбрать следующие САР с наименьшим запаздыванием, реагирующие на эти возмущения:

1 вариант: САР соотношения расходов абразивной крупки и газа путём изменения расхода газа с коррекцией по температуре в разгонных трубках газоструйной мельницы.

2 вариант: САР температуры горения газовоздушной смеси путём одновременного изменения расхода газа и подогретого воздуха с коррекцией по давлению дымовых газов в бункере сепаратора.

Первый вариант можно считать оптимальным в том случае, когда основные возмущения поступают при изменении расходов газа и абразивной крупки.

Работать такая система будет следующим образом: предположим, увеличивается расход газа, срабатывает регулятор соотношения и снижается приток газа до тех пор, пока не будет восстановлено заданное соотношение расходов.

Если возрастает приток сырьевого продукта, то срабатывает регулятор соотношения и возрастает приток газа до восстановления заданного соотношения расходов.

Если возрастает начальная температура в разгонных трубках, то это приведёт к возможности возникновения аварийной ситуации, сокращению срока службы оборудования и преждевременного его выхода из строя. В этом случае также сработает регулятор температуры и уменьшит задание регулятору соотношения расходов газа и подогретого воздуха, а тот в свою очередь уменьшит приток газа и воздуха до тех пор, пока соотношение расходов не станет равно заданному.

Такая система будет работать следующим образом: регулятор температуры в размольной камере с минимальным запаздыванием будет реагировать на возмущения, поступающие в разгонные трубки при изменении расхода газа.

Для обеспечения третьего показателя эффективности процесса, с целью уменьшения энергетических затрат на процесс разгона измельчаемого продукта, необходимо регулировать соотношение расходов газа и воздуха путём непосредственного изменения притока воздуха в разгонную трубку. При этом уменьшение притока воздуха будет приводить к неполноте сгорания топлива, а увеличение притока воздуха — к увеличению потери тепла с дымовыми газами [3].

Для обеспечения эффективной и безопасной работы мельницы необходимо регулировать разрежение в разгонных трубках путём изменения расхода дымовых газов. Если снижается разрежение, ухудшается вытяжка, и часть дымовых газов проникает в производственное помещение. Это, помимо того, что ухудшает процесс горения, увеличивает содержание не сгоревшего топлива в дымовых газах. Возникает ситуация отравления обслуживающего персонала угарным газом [4].

Вывод: на основании проведённого анализа регулируемых параметров и каналов внесения регулирующих воздействий, был разработан типовой вариант системы автоматического управления процессом дробления карбида кремния в газоструйной мельнице. Это позволяет обеспечить высокую производительность установки, устойчивость системы автоматизированного управления, эффективность, а также качество выпускаемой продукции.

Литература:

1. Технологический регламент процесса дробления карбида кремния
2. Акунов, В. И. Струйные мельницы. Элементы теории и расчета. Издание
3. 2-е переработанное./ В. И. Акунов. — М.:Машиностроение, 1967. — 265 с.
4. Харченко В. Ю. Теория автоматического управления / В. Ю. Харченко, Ю. Ф. Мартемьянов. — Тамбов: изд-во ТГТУ, 2009, — 64 с.
5. Кон Л. И. Методические указания и таблицы для выбора настроек ПИ- и П- регуляторов в системах регулирования тепловых объектов с запаздыванием / Л. И. Кон. — Одесса: ОПИ, 2005г.