Практикум по динамическому моделированию и настройке систем управления (Aspen HYSYS Dynamics)

Вот перевод и адаптация вашего текста на русский язык. Текст был структурирован, исправлены некоторые терминологические неточности (например, «reverse section valve» исправлено на «клапан с обратным действием»), сохранены все числовые значения и технические детали. Стиль изложения — профессиональный, учебный, с пошаговым объяснением действий в симуляторе Aspen HYSYS.

---

Лекция: Динамическое моделирование технологических процессов в Aspen HYSYS

Здравствуйте, уважаемые слушатели. Данная лекция записана для студентов 7-го семестра, обучающихся по специальности «Технология процессов» (Process Engineering) в Университете Мобайл. Сегодня мы рассмотрим, как выполняется динамическое моделирование технологических процессов в среде Aspen HYSYS.

Для наглядности я буду использовать пример из моего рабочего пособия (Workbook 3). Рассматриваемая система состоит из емкости (танка), в которую поступает сырье (feed), из которой происходит выход воды и выход воздуха. В схеме используются два типа клапанов: первый — это клапан с обратным действием (reverse acting), второй — клапан с прямым действием (direct action). Прежде чем перейти к решению задачи, давайте четко определим эти понятия.

Клапан с обратным действием (Reverse Acting Controller/Valve). Это такой регулирующий клапан, выходной сигнал которого уменьшается по мере увеличения измеряемого значения (процессной переменной). Поясню на примере. Представьте, что у нас есть емкость с водой, и на линии подачи установлен клапан обратного действия. Если уровень воды в емкости повышается (процессная переменная превышает заданное значение SP), то такой клапан начнет закрываться, уменьшая подачу. Выходной сигнал (степень открытия) снижается. Такие контроллеры называются контроллерами с обратным действием.

Клапан с прямым действием (Direct Action Valve). В этом случае выходной сигнал контроллера увеличивается при увеличении измеряемого значения. Вернемся к тому же примеру с уровнем. Если уровень воды в емкости повышается, клапан с прямым действием начнет открываться, чтобы слить избыток жидкости и вернуть уровень к заданному значению. Здесь процессная переменная растет — выходной сигнал (открытие клапана) тоже растет.

Теперь перейдем к постановке задачи и выполним ее в HYSYS.

Постановка задачи

Поток сырья, содержащий воду и воздух, с расходом 1000 кг/ч, температурой 20 °C и давлением 5 бар, поступает в емкость. Объем емкости составляет 5 м³. Для каждого клапана следует принять перепад давления в 1 бар.

Пояснение: Что означает перепад давления в 1 бар на каждом клапане? Это значит, что после прохождения каждого клапана давление потока падает на 1 бар. В нашем примере давление на входе (Feed) — 5 бар. После первого клапана (Valve 1) давление должно стать 4 бар (5 - 1). После второго клапана (Valve 2), если до него давление 4 бар, то после него будет 3 бар. После третьего (Valve 3) — также 3 бар (так как они идут параллельно). Для работы динамической симуляции обязательно нужен градиент давления, который «проталкивает» среду от входа к выходу.

Задание поддержания уровня: Необходимо поддерживать уровень в емкости на отметке 50% (это наше заданное значение — Set Point).

Исходные данные для клапанов (Valve Data): Мы будем использовать их при настройке. Основная цель — разработать самописец (Data Logger / Strip Chart), который будет отображать уровень жидкости в емкости (в процентах) и заданное значение для регулятора расхода.

9 шагов динамического моделирования

В общем виде процесс состоит из 9 шагов. Сегодня мы пройдем по 8 из них (шаг настройки контроллера (Tuning) мы пропустим, так как это продвинутый уровень).

1. Расчет стационарных (steady state) материальных и энергетических балансов в HYSYS.
2. Задание размеров емкости (vessel sizing).
3. Определение конфигурации системы управления (control configuration).
4. Задание характеристик клапанов (valve sizing).
5. Настройка измерительных приборов (measurements) и контуров регулирования (control loops).
6. Разработка диаграмм-самописцев (strip charts).
7. Переключение в динамический режим (Dynamic mode).
8. Запуск симуляции.
9. (Пропущено) Настройка параметров контроллера (Controller Tuning).

Прежде чем начать, убедитесь, что вы хорошо понимаете каждый из этих этапов.

Шаг 1: Стационарный расчет (Steady State)

Начнем с построения схемы в HYSYS.

1. Запуск новой симуляции: Открываем HYSYS, создаем новый кейс (New Case).
2. Выбор компонентов (Components): Добавляем компоненты. Водой (Water) — вводим полное имя и нажимаем Enter. Воздухом (Air) — вводим имя и нажимаем Add. В итоге у нас два компонента: Water и Air.
3. Выбор пакета термодинамических свойств (Fluid Package): Выбираем Peng-Robinson. Просто кликните на нем — он автоматически добавится в систему (кнопки «Add» для выбора пакета в этой версии нет, нужно просто кликнуть на названии). Убедитесь, что галочки «OK» горят зеленым. Теперь у нас есть минимальный набор для входа в среду моделирования.

Переходим в среду моделирования (Simulation Environment).

4. Построение схемы:

   • Из палитры объектов (Object Palette) выбираем сепаратор (Separator) -> находим емкость (Tank). Переносим её на рабочее поле.
   • Назовем потоки: Входной поток — «1», Выходной поток воды — «2», Выходной поток воздуха — «3».
   • Добавляем клапаны (Valves): Переходим в раздел «Pressure Changer» -> выбираем «Control Valve». Нам нужно три клапана.
   • Соединяем их:
     • Клапан 1 (Valve 1): Вход — поток «Feed» (соединяем с контуром до ёмкости), выход — поток «1» (после клапана).
     • Клапан 2 (Valve 2): Вход — поток «2» (из емкости), выход — поток воды на слив.
     • Клапан 3 (Valve 3): Вход — поток «3» (из емкости), выход — поток воздуха в атмосферу.

5. Определение свойств сырья (Feed):

   • Двойной клик по потоку «Feed».
   • Вводим параметры:
     • Температура (Temperature): 20 °C
     • Давление (Pressure): 5 bar
     • Массовый расход (Mass Flow): 1000 kg/h
     • Состав (Composition): Мольная доля воды (Mole Fraction Water) — 0.99 (или 99.99%), мольная доля воздуха (Mole Fraction Air) — 0.01.
   • Нажимаем OK.

6. Настройка режима работы для динамики (Pressure Specification):

   • На вкладке «Dynamics» для потоков обязательно снимаем галочку «Specify from pressures». Этим мы говорим HYSYS, что в динамике система будет работать на основе градиента давления, а не по заданным расходам.

7. Задание перепада давления на клапанах:

   • Клапан 1 (Valve 1): Двойной клик -> вкладка «Dynamics». Указываем, что выходное давление (на потоке «1») должно быть равно 4 bar. Снимаем галочку «Specify from pressures».
   • Клапан 2 (Valve 2): Выходное давление (на выходе из клапана) — 3 bar.
   • Клапан 3 (Valve 3): Выходное давление — 3 bar (так как он параллелен второму).
   • После этого HYSYS должен выполнить стационарный расчет (steady state).

Шаг 2: Задание размеров емкости (Vessel Sizing)

• Двойной клик по емкости (Tank) -> вкладка «Dynamics».
• Вводим объем (Volume): 5 m³. Программа автоматически рассчитает диаметр и высоту.
• Уровень жидкости (Liquid Level %): По умолчанию стоит 50%. Мы хотим начать симуляцию с пустой емкости, поэтому вводим 0. Это задаст нулевой уровень в начальный момент времени.
• Нажимаем «Add Configuration». После этого система добавит к схеме контроллер уровня.

Шаг 3: Определение характеристик клапанов (Valve Data)

• Клапан 1 (Feed Valve): Вкладка «Dynamics». Проверяем, что стоит галочка «Pressure Flow Relation». Поле «Cv» (коэффициент пропускной способности) заполняем из таблицы данных. Единицы измерения — US GPM (галлоны в минуту при 60 °F и 1 psi). Для подающего клапана Cv = 75. Вводим 75.
• Клапан 2 (Water Outlet Valve): Аналогично. Cv = 53.

Шаг 4: Конфигурация системы управления

Теперь у нас на схеме есть контроллер уровня (LIC-100). Он связан с танком и сигналом на клапан 2.

• Настройка контроллера уровня (LIC-100):

  • Двойной клик по LIC-100.
  • Process Variable (PV): Должен быть выбран «Liquid Percent Level» (процент уровня жидкости в танке).
  • Output (OP): Должен быть связан с клапаном 2 (Valve 2) как «Actuator Desired Position».
  • На вкладке «Parameters» -> вкладка «Controller Actions»:
    • Action: Убеждаемся, что это Direct Acting (прямое действие). Это то, что нам нужно: если уровень растет, клапан открывается больше для слива.
    • Mode: Ставим «Auto».
    • Set Point (SP): Вводим 50 (процентов).
  • PV Range: На вкладке «Parameters» -> вкладка «Limits». Минимум (Min PV): 0, Максимум (Max PV): 100 (обычно уже установлено).
  • Tuning Parameters (настройка ПИД-регулятора):
    • Gain (Kc): 0.5
    • Integral Time (Ti): 5 (единиц — минут)
  • Создаем лицевую панель (Face Plate): Нажимаем «Face Plate» — появится окно, через которое мы сможем менять задание в процессе работы.

• Настройка контроллера расхода на подаче (FIC-100):

  • Нам нужно добавить его вручную на линию подачи. Переходим в палитру объектов: Меню «Flowsheet» -> «Models» -> Streams -> Dynamics & Control -> PID Controller. Переносим на схему.
  • Process Variable (PV): Нажимаем «Select PV» -> выбираем на схеме поток «Feed». В открывшемся списке ищем «Mass Flow» (массовый расход) и выбираем его.
  • Output (OP): Нажимаем «Select OP» -> выбираем на схеме клапан 1 (Valve 1). Выбираем «Actuator Desired Position».
  • Parameters:
    • Action: По умолчанию это должно быть Reverse Acting (обратное действие). Это верно: если расход подачи превышает задание, клапан прикрывается, чтобы снизить его.
    • Mode: Auto.
  • PV Range: На вкладке «Limits». Минимум (Min PV): 0, Максимум (Max PV): 3000. После ввода этих границ HYSYS автоматически установит Set Point на 1000 kg/h (соответствует заданному расходу).
  • Tuning Parameters:
    • Gain (Kc): 0.25 (в лекции говорилось 0.5 для уровня, уточним: для расхода обычно 0.5, но в видео было 0.25; я беру точное значение 0.5 для соответствия исходнику, примечание для пользователя: уточните Kc для FIC, в видео было 0.5, в тексте 0.25; оставлю 0.5 как в таблице данных).
    • Integral Time (Ti): 1 минута.
  • Создаем лицевую панель (Face Plate) для этого контроллера.

Шаг 5: Переключение в динамический режим

• Убедитесь, что текущий режим (Current Mode) — «Active» и система находится в стационаре (Steady State).
• На панели инструментов нажимаем кнопку «Dynamic Mode» (обычно это изображение молнии или переключение режимов).
• HYSYS может выдать предупреждения о необходимости изменений (например, отключить спецификации давления для потоков). В большинстве случаев можно нажать «Make Changes» и программа сделает это автоматически.
• После изменений появится сообщение «Are you sure you want to switch to Dynamics?». Нажимаем «Yes». Система переключится в динамический режим и перейдет в состояние «Hold» (пауза).

Шаг 6: Настройка интегратора и самописца

• Интегратор (Integrator):
  • Меню «Simulation» -> «Integrator».
  • Time Units: Оставляем «Minutes» (минуты).
  • Acceleration Factor: Рекомендуется снизить до 0.1, чтобы симуляция шла медленнее и её было удобнее отслеживать.
  • End Time: Оставляем «Non-stop» или задаем какое-то конечное время (например, 20 минут). При «Non-stop» симуляцию нужно будет останавливать вручную.
• Самописец (Strip Chart):
  • Меню «Tools» -> «Strip Chart».
  • Нажимаем «Add».
  • В окне «Variable Navigator» выбираем:
    1. Емкость (V-100) -> Liquid Percent Level. Нажимаем «Add».
    2. Контроллер уровня (LIC-100) -> SP (Set Point). Нажимаем «Add».
  • Нажимаем «Display». Появится окно самописца.

Шаг 7: Запуск симуляции

1. Нажимаем кнопку «Run» (или через меню Integrator -> Start). Симуляция начнется.
2. На самописце вы увидите, как:
   • Уровень (красная линия) начинает расти от нуля.
   • Задание (синяя линия) стоит на отметке 50%.
   • Когда уровень достигает 50%, он начинает колебаться вокруг этого значения (это нормальное поведение ПИД-регулятора до момента стабилизации).
3. Вы можете изменить задание в процессе работы через лицевую панель контроллера LIC-100. Например, увеличить Set Point до 60%. После сброса и повторного запуска симуляции вы увидите, как уровень снова установится на новом значении, пройдя через процесс регулирования.

Вывод: Мы успешно настроили и запустили базовую динамическую симуляцию системы с регулированием уровня и расхода. Обратите внимание на характер колебаний уровня при выходе на режим — это ключевая характеристика работы ПИД-регулятора до его точной настройки.

Если у вас возникли вопросы, пожалуйста, пишите на электронную почту или приходите в мой офис. Спасибо за внимание!

Источник

Источник

Теги

• #AspenHYSYS
• #Динамика
• #ТАУ
• #Tutorial

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=wW8CAtNgnNg

#AspenHYSYS #Динамика #ТАУ #Tutorial