УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СРЕДНЕТЕМПЕРАТУРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОМ

Полезная модель относится к области автоматического управления и может быть использована для автоматического поддержания температуры электролита и концентрации HF в среднетемпературном электролизере на необходимом уровне.
Не известны устройства аналогичного назначения.
Задачей полезной модели является автоматическая стабилизация температуры электролита и концентрации HF в среднетемпературном электролизере на необходимом уровне.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство управления среднетемпературным электролизером содержит многоканальный аналого-цифровой преобразователь, связанный с многофункциональным контроллером, преобразующим электрические сигналы, поступающие с датчиков электролизера, и соединенным последовательно с первым блоком сравнения, регулятором температуры электролита, первым суммирующим устройством, и первым нормирующим цифро-аналоговым преобразователем. Многоканальный аналого-цифровой преобразователь последовательно связан со вторым блоком сравнения, регулятором концентрации фтористого водорода, вторым суммирующим устройством и вторым нормирующим цифро-аналоговым преобразователем. Многоканальный аналого-цифровой преобразователь соединен с первым фильтрующим устройством, связанным с первым суммирующим устройством. Второе и третье фильтрующие устройства подключены к многоканальному аналого-цифровому преобразователю и блоку умножения, подключенному к первому суммирующему устройству. Третье фильтрующее устройство соединено со вторым суммирующим устройством. Блоки сравнения, фильтрующие и суммирующие устройства соединены с ЭВМ. Первый нормирующий цифро-аналоговый преобразователь соединен с системой подачи теплоносителя, а второй нормирующий цифро-аналоговый преобразователь соединен с системой подачи фтористого водорода в электролизер.
Разработанное устройство обеспечивает автоматическую стабилизацию температуры электролита и концентрации HF в среднетемпературном электролизере на необходимом уровне. Изменение температуры электролита обеспечивается за счет изменения объемного расхода охлаждающей воды, регулирование которым осуществляется путем изменения степени открытия регулирующего клапана. Изменение концентрации фтористого водорода в электролите обеспечивается за счет изменения массового расхода HF на входе электролизера, регулирование которым осуществляется путем изменения степени открытия регулирующего клапана.
На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства.
Устройство управления среднетемпературным электролизером, содержит многоканальный аналого-цифровой преобразователь 1 (МАЦП), связанный с многофункциональным контроллером, осуществляющим преобразование электрических сигналов поступающих с датчиков среднетемпературного электролизера производства фтора (на фиг.1 не показан). Многоканальный аналого-цифровой преобразователь 1 (МАЦП) последовательно связан с первым блоком сравнения 2 (БС 1), регулятором температуры электролита 3 (РТЭ), первым суммирующим устройством 4 (СУ 1), и первым нормирующим цифро-аналоговым преобразователем 5 (НЦАП 1). Многоканальный аналого-цифровой преобразователь 1 (МАЦП) последовательно связан со вторым блоком сравнения 6 (БС 2), регулятором концентрации фтористого водорода 7 (РК), вторьм суммирующим устройством 8 (СУ 2) и вторым нормирующим цифро-аналоговым преобразователем 9 (НЦАП 2). Многоканальный аналого-цифровой преобразователь 1 (МАЦП) связан с первым фильтрующим устройством 10 (ФУ 1), которое соединено с первым суммирующим устройством 4 (СУ 1). Многоканальный аналого-цифровой преобразователь 1 (МАЦП) соединен со вторым фильтрующим устройством 11 (ФУ 2) и третьим фильтрующим устройством 12 (ФУ 3), соединенньми с блоком умножения 13 (БУ), который связан с первым суммирующим устройством 4 (СУ 1). Третье фильтрующее устройство 12 (ФУ 3) соединено со вторым суммирующим устройством 8 (СУ 2). Первый нормирующий цифро-аналоговый преобразователь 5 (НЦАП 1) соединен с системой подачи теплоносителя (на фиг.1 не показано), а второй нормирующий цифро-аналоговый преобразователь 9 (НЦАП 2) соединен с системой подачи фтористого водорода в электролизер (на фиг.1 не показано). Первый блок сравнения 2 (БС 1), второй блок сравнения 6 (БС 2), первое фильтрующее устройство 10 (ФУ 1), второе фильтрующее устройство 11 (ФУ2), третье фильтрующее устройство 12 (ФУ 3), первое суммирующее устройство 4 (СУ 1) и второе суммирующее устройство 8 (СУ 2) соединены с ЭВМ (на фиг.1 не показано).
Многоканальный аналого-цифровой преобразователь 1 (МАЦП) может быть реализован на восьмиканальном параллельном аналого-цифровом преобразователе AD7812Y.
Блоки сравнения 2 (БС 1), 6 (БС 2), а также блок умножения 13 (БУ) могут быть реализованы на микроконтроллере фирмы «Atmel» ATmega48.
Регулятор температуры электролита 3 (РТЭ) и регулятор концентрации HF в электролите 7 (РК) могут быть выполнены на микроконтроллере фирмы «Atmel» ATtinyl3.
Нормирующие цифро-аналоговые преобразователи 5 (НЦАП 1) и 9 (НЦАП 2) могут быть реализованы на микросхеме L272 и цифро-аналоговом преобразователе AD7801.
Фильтрующие устройства 10 (ФУ 1), 11 (ФУ 2), 12 (ФУ 3), а так же суммирующие устройства 4 (СУ 1) и 8 (СУ 2) могут быть реализованы на микроконтроллере ATmega8, фирмы «Atmel».
Э
В
HF
Э
Э
С многофункционального контроллера, осуществляющего преобразование электрических сигналов поступающих с датчиков среднетемпературного электролизера производства фтора, на вход многоканального аналого-цифрового преобразователя 1 (МАЦП) подают нормированные аналоговые сигналы температуры электролита (T, °С); температуры охлаждающей воды (T, °С); общего падения напряжения на электролизере (U, В); силы электрического тока (I), подаваемого на электролизер и концентрации фтористого водорода в электролите (С)- В многоканальном аналого-цифровом преобразователе 1 (МАЦП) сигналы преобразуются из аналоговых в цифровые. Цифровой сигнал температуры электролита поступает на первый блок сравнения 2 (БС 1), который производит вычитание  формируемого ЭВМ и Т поступающего с 1 (МАЦП). Первый блок сравнения 2 (БС 1) обеспечивает ограничение значение Т исходя из условия:
где , - минимально и максимально возможные значения температуры электролита, °С.
Далее, значение с выхода первого блока сравнения 2 (БС 1) поступает на регулятор температуры электролита 3 (РТЭ), формирующего расчетное значение управляющего воздействия (объемный расход охлаждающей воды) на температуру электролита. На каждом такте расчетное значение управляющего воздействия на температуру электролита формируется в следующем виде:
3
где  - значение управляющего воздействия на температуру электролита (объемного расхода охлаждающей воды) на предыдущем шаге, м/ч;
3
- приращение управляющего воздействия на температуру электролита, рассчитанное по ПИ-закону, м/ч.
В случае первоначального пуска, когда неизвестно предыдущее значение ,  принимается равным 0.
Приращение управляющего воздействия на температуру электролита по ПИ-закону определяется на каждом такте управления по следующей формуле [Изерман Р. Цифровые системы управления. - М.: Мир, 1984, стр. 81-82]:
RT
где К - коэффициент усиления регулятора температуры электролита 3 (РТЭ);
iT
T - постоянная времени интегрирования регулятора температуры электролита 3 (РТЭ);
ц
Т - постоянная времени цикла.
B
Сигнал температуры охлаждающей воды с выхода многоканального аналого-цифрового преобразователя 1 (МАЦП) поступает на первое фильтрующее устройство 10 (ФУ 1), осуществляющее низкочастотную фильтрацию сигнала T по формуле экспоненциального сглаживания [Реймаров Г.А. Учебно-методическое пособие «Первичная переработка информации в АСУТП». - М.: ЦНИИатоминформ, 1980, стр. 43-45] в соответствии с рекуррентным соотношением:
Tв
где α - коэффициент сглаживания исходного сигнала температуры охлаждающей воды;
Bi
T, - сигнал температуры охлаждающей воды, поступающий с многоканального аналого-цифрового преобразователя 1 (МАЦП);
- сигнал температуры охлаждающей воды после фильтрации.
B
При включении заявляемого устройства , присваивается значение Т. Значение коэффициента сглаживания  поступает на первое фильтрующее устройство 10 (ФУ 1) с ЭВМ.
Одновременно с этим, сигналы общего падения напряжения (U) на электролизере и силы электрического тока (I), подаваемого на электролизер, с выхода многоканального аналого-цифрового преобразователя 1 (МАЦП) поступают на второе фильтрующее устройство 11 (ФУ 2) и третье фильтрующее устройство 12 (ФУ 3) соответственно.
Второе фильтрующее устройство 11 (ФУ 2) осуществляет низкочастотную фильтрацию сигнала U по формуле экспоненциального сглаживания в соответствии с рекуррентным соотношением:
U
где α - коэффициент сглаживания исходного сигнала общего падения напряжения на электролизере;
i
U - сигнал общего падения напряжения на электролизере, поступающий с многоканального аналого-цифрового преобразователя 1 (МАЦП);
- сигнал общего падения напряжения после фильтрации.
U
При включении заявляемого устройства  присваивается значение U. Значение коэффициента сглаживания α поступает на второе фильтрующее устройство 11 (ФУ 2) с ЭВМ.
p
p
Второе фильтрующее устройство 11 (ФУ 2) осуществляет вычитание величины напряжения разложения (U) от величины  (величина U поступает на второе фильтрующее устройство 11 (ФУ 2) с ЭВМ).
Третье фильтрующее устройство 12 (ФУ 3) осуществляет низкочастотную фильтрацию сигнала I по формуле экспоненциального сглаживания в соответствии с рекуррентным соотношением:
где α, - коэффициент сглаживания исходного сигнала силы тока;
i
I - сигнал силы тока, поступающий с многоканального аналого-цифрового преобразователя 1 (МАЦП);
- сигнал силы тока после фильтрации.
l
При включении заявляемого устройства  присваивается значение I. Значение коэффициента сглаживания α поступает на третье фильтрующее устройство 12 (ФУ 3) с ЭВМ.
i
р
Далее, сглаженный сигнал  и сигнал (U - U) поступают на блок умножения 13 (БУ), где происходит перемножение этих сигналов:
эi
где Q - значение электрическом мощности, рассеиваемой на электролизере в виде тепла.
эi
эi
Полученный сигнал Q поступает на первое суммирующее устройство 4 (СУ 1), где происходит преобразование сигналов Q, ,  по следующему закону:
R1
где K - значение коэффициента контура компенсации изменения температуры охлаждающей воды, задаваемое с ЭВМ;
R3
K - значение коэффициента контура компенсации изменения электрической мощности электролизера, задаваемое с ЭВМ.
Первое суммирующее устройство 4 (СУ 1) обеспечивает ограничение величины  по уровню:
где  - предельно допустимое значение величины , задаваемое с ЭВМ.
HF
HF
Сигнал концентрации фтористого водорода в электролите (С) с выхода многоканального аналого-цифрового преобразователя 1 (МАЦП) поступает на второй блок сравнения 6 (БС 2), который производит вычитание , формируемого ЭВМ, и С, поступающего с 1 (МАЦП).
Далее, значение с выхода второго блока сравнения 6 (БС 2) поступает на регулятор концентрации фтористого водорода 7 (РК), формирующего расчетное значение управляющего воздействия (массовый расход HF) на концентрацию HF. На каждом такте расчетное значение управляющего воздействия на концентрацию HF формируется в следующем виде:  где  - значение управляющего воздействия на концентрацию HF на предыдущем шаге, кг/с;
- приращение управляющего воздействия на концентрацию HF, рассчитанное по ПД-закону, кг/с.
В случае первоначального пуска, когда неизвестно предыдущее значение ,  принимается равным 0.
Приращение управляющего воздействия на концентрацию HF по ПД-закону определяется на каждом такте управления по следующей формуле [Изерман Р. Цифровые системы управления. - М.: Мир, 1984, стр. 81-82]:
где  - коэффициент усиления регулятора концентрации HF 7 (PK);
- постоянная времени дифференцирования регулятора концентрации HF 7 (PK);
ц
T - постоянная времени цикла.
i
Далее, сигналы с выхода регулятора концентрации HF 7 (PK) и третьего фильтрующего устройства 12 (ФУ 3) поступают на второе суммирующее устройство 8 (СУ 2), где происходит преобразование сигналов I и  по следующему закону:
R2
где K - значение коэффициента контура компенсации изменения тока, задаваемое с ЭВМ.