Курс «Регулирующая арматура в системах автоматизации»
Обнаружилась невозможность качественного обезвоживания и формования полотна при скорости свыше 600м\мин вследствие возрастающего разрежения в сбегающем клине регистрового валика и подскока суспензии над сеткой после каждого валика из-за гидравлического удара от прорыва воздуха в разреженные полости сбегающего клина. Произошла замена на обезвоживающие элементы, позволяющие плавно регулировать процесс обезвоживания (гидропланки, отсасывающие ящики). К важным контурам регулирования с повышенными требованиями к точности регулирования добавилась система контуров отсасывающих ящиков.
Надо сказать, что и каждый новый сорт бумаги добавлял к технологическим схемам новые требования к регулированию и контурам регулирования. Добавки химикатов, формирование новых композиций, изменение состава сырья отражались на технологических схемах появлением, как новых циклов, так и обслуживающих их все более специализированных контуров регулирования.
В размольно-подготовительном отделении (РПО) особенное развитие получило применение очистителей различных модификаций, включая очистители высокой концентрации, закрытые узлоловители с гидродинамическими лопатками, сита, декулаторы и вакуумные вихревые очистители, вакуум-компрессоры. Обслуживание и регулирование работы этих элементов зависело и от качества регулирующих органов.
В настоящее время БДМ имеет свыше 350 систем контроля, регулирования и дистанционного управления. Требование к точности поддержания заданных параметров и их количество постоянно возрастали, и потребовалась автоматизация управления процессами с применением принципов сочетания многих взаимосвязанных параметров. В первую очередь стали появляться автоматизированные системы с централизованным контролем и управлением.
Другой важной задачей стало устранение потерь производительности вследствие неэффективных режимов работы машины. Большая скорость машины требует оперативного вмешательства и регулирование множества взаимосвязанных параметров. Например, изменение скорости машины одновременно требует изменения напора в напорном ящике, изменения количества волокнистой массы, поступающей в смесительный насос и т.д. Система простых регуляторов уже не справляется с этой задачей и происходит переход на более совершенную ступень автоматизации, когда управление ведется в зависимости от сложившейся ситуации.
На третьей стадии заметно проявляется тенденция к вбиранию в себя и увязке всех участков непрерывного потока, который объединяет в себе бумагоделательная машина. Создается непрерывный, с жесткими связями производственный поток, включающий размол, сортирование, очистку, составление композиции и изготовление бумаги на машине. Все отдельные подсистемы регулирования централизуются и связываются с пультами управления машиной. Эти мероприятия повысили производительность труда и общую межцеховую производительность оборудования.
Регулирование на 3-й стадии переходит от коротких обратных связей, обеспечивающих поддержание только отдельных параметров процесса на многофакторные. В первую очередь рождается многофакторное управление, в частности, на регуляторе измерения веса м2 это управление осуществляется по уравнению баланса массы.
На этом же этапе проявилась тенденция к обработке информации в местах ее появления, без передачи на обработку в центральный компьютер. Следуя за тенденцией к переходу с «макро на микро уровень», читай от централизованной обработки информации к персональным и локальным решениям в области автоматизации, большее внимание стало уделяться таким элементам как повышение откликаемости регулирующих органов. Появляются развитые системы диагностики, как в составе АСУ ТП, так и отдельно по регулирующим клапанам и КИП. В тоже время появлялось все большее число настроечных параметров. Передаваемые сигналы по аналоговым кабелям не могли справиться с одновременными требованиями как к объему передаваемых данных, повышению точности сигналов и их помехозащищенности.
Решением стало появление и активное внедрение цифровых систем регулирования Profibus и Foundation Field Bus. С появлением таких шин уровень оцифровки впервые подошел к непосредственно регулирующему органу и исполнительным механизмам. Его воплощением стали, например, цифровые позиционеры ND9000 компании Metso Automation. В настоящее время объем использования полевых шин в мире уже превысил 12% с тенденцией к максимальному росту по сравнению с аналоговыми и аналого-цифровыми системами.
Чисто практической пользой в применении цифровых систем стала возможность накапливать и обрабатывать данные по работе контуров регулирования и регулирующих клапанов, их многофакторная обработка с возможностью применения специального программного обеспечения. Появились возможности включения системы автоматизации АСУ ТП в систему автоматизации предприятия АСУП и диспетчерского управления АСОДУ. Данные теперь не терялись, а своевременно могли быть обработаны, проанализированы и получены рекомендации о той или иной неисправности, спланированы ТО и ремонты, оформлена потребность в запчастях и т.д.
С развитием понимания процессов, протекающих при регулировании, и благодаря развитию цифровых систем, контур регулирования приобретает все большую автономность, способность оценивать протекание того или иного процесса, характерного для регулирования. Результатом становится переход контура от чисто измерительного к информационно–измерительному. Связи между элементами системы становятся все менее жесткими и все более информационными.
Однако выявилась и наиболее характерная проблема внедрения новых систем автоматизации. С повышением интеллектуализации и специализации даже таких стандартных элементов как регулирующие клапаны и другие устройства КИП возник диссонанс между значительным опережением уровня техники по отношению к возможностям обслуживающего персонала. Противоречие заключалось в том, что невозможно уследить за всеми новинками техники, а иметь высококвалифицированный персонал на все устройства экономически нецелесообразно. Кстати, с высокой скоростью морального устаревания систем автоматизации это и невозможно.
Что же делать? Выход нашелся в развившемся к этому времени в более прогрессивных отраслях систем удаленной диагностики и управления на основе более совершенных автоматических контуров. Внешнее сервисное обслуживание при этом проводится специалистами компании-изготовителя или сервисной компании. Технической основой являются цифровые контуры регулирования, совершенные алгоритмы систем автоматизации с возможностью управления, диагностики и самодиагностики исполнительных устройств. Системы также подразумевали переход от ППР на прогнозирующее обслуживание по результатам диагностики. Снижение затрат владельцев БДМ обеспечивалось бесперебойной работой оборудования, долговременной эксплуатационной надежностью и полным выполнением метрологических характеристик средствами регулирования и гарантиями со стороны сервисных компаний. Снижение затрат на сервисное обслуживание достигалось фиксированием базовой цены на обслуживание по нижнему пределу, возложением обязанностей по поддержанию работы оборудования, снижению объема потребления запчастей на сервисную компанию. В настоящее время уровень аутсорсингового сервисного обслуживания на современных предприятиях по всему миру достигает до 10-18%.
Современные тенденции развития технологических схем и их влияние на контуры регулирования
Развитие технологических схем сопровождалось введением все новых элементов, циклов и обслуживающих их контуров. Так, на первой стадии приготовленная волокнистая суспензия хранилась в бассейне, откуда насосом подавалась в переливной бачок, узлоловитель и открытый напорный ящик низкого напора. Во второй стадии в схемы включаются конические мельницы для домола, песочница, цикл узлоловителей, открытый напорный ящик высокого напора. В третьей стадии цепь удлиняется и формируется непрерывный поток с размолом, очисткой, автоматической системой составления композиции, системой узлоловителей закрытого типа, декулатором и напорным ящиком закрытого типа. От периодической подготовки массы происходит переход к непрерывной подготовке волокнистой суспензии. Если в машинах первого и второго поколения подготовка полуфабрикатов и составление композиции проводилось периодически и независимо от темпов работы бумагоделательной машины, то в машинах третьего поколения операции по подготовке полуфабрикатов, составлению композиций, очистке, сортированию включены в непрерывную цепь производства и жестко связаны с ритмом работы БДМ.
В машинах 1-го и 2-го поколений волокнистая суспензия вследствие периодичности действия машины хранилась в больших выравнивающих емкостях. В машинах третьего поколения необходимость применения больших емкостей отпала.
Развитие параметров БДМ происходило неравномерно. В первую очередь заменялись наиболее слабые элементы, входившие в наибольшее противоречие с функцией производства качественной бумаги.
Наиболее важной тенденцией стало развитие адаптивных систем с обработкой сигналов на локальном уровне. Наибольшее развитие получают цифровые системы.
Тем не менее, реализация третьего этапа возможна только после прохождения 1-го и 2-го этапов. Вытеснение человека из работы машины значительно быстрее происходит с вытеснения его с уровня приложения энергии, где его силы ограничены. Вытеснение человека с уровня принятия решений происходит значительно медленнее, поскольку человек и сам является неплохой «информационной» системой.
Типовые направления развития технологических схем ЦБП
Повышение непрерывности протекания процесса.
Включает интенсификацию и повышение скорости протекания процессов, увеличение количества компонентов, обрабатываемых в одном аппарате.
Стабильность процесса и равномерность получаемого продукта.
Включает повышение качества получаемого продукта. Повышение качества процесса происходит за счет снижения нагрузки и увеличения параллельных звеньев, например, батареи центриклинеров. Устранение помех и шумов в передаче информации, регулирования и управления.
Примеры. Самодиагностика. Снижение транспортных плеч. Модернизация трубопроводов. Установка защищенных кабелей. Отказ от аналогового сигнала и замена его на цифровые системы передачи сигнала. Уход от кабелей и внедрение беспроводных систем передачи сигнала по технологии сотовой связи на промышленных предприятиях.
Передача интеллектуальных функций от централизованной системы управления к низовому уровню и в дальнейшем к исполнительным устройствам.
Усиливается внимание к снижению всех видов вибраций, пульсаций, динамических нагрузок, способных вызвать неуправляемые возмущения в потоке.
Пример. Применение полированных труб с зачищенным и полированным швом; использование труб повышенной гладкости; использование колен или гнутых участков труб вместе с прямолинейными вместо сварных секционных; использование шаровых кранов вместо шиберных заслонок и конических вентилей с целью снижения пульсаций давления из-за потери напора на гидравлических сопротивлениях. Формирование правильной геометрии массопроводов, непосредственно влияющих на формирование поля скоростей. Правильное расположение клапанов и вентилей перед напорным ящиком, поскольку они вызывают гидропульсации. Для неаэрированной массы воздух может стать дополнительной подушкой и дополнительно вызывать пульсации потока.
Интересно отметить использование возможностей самоорганизации технологического процесса.
Пример. Поддержание процесса в т.н. «центре», что позволяет снизить отклонения и потери из-за нестабильности процесса на краях поля концентраций, скоростей, давлений, температуры и т.п.
Развитие типовых и стандартизированных операций.
Это такие операции как разволокнение, очистка, растворение, смешение, размол, сгущение, сортировка, хранение, транспортировка, повышение концентрации, испарение, конденсация, тепломассообмен, деаэрация, вакуумирование, насыщение, адсорбция, промывка, обезвоживание, отжим, флотация и др. физико-химические процессы.
Развитие внутренней сложности технологических схем.
Включает увеличение числа ступеней обработки, внедрение каскадных принципов обработки, использование принципа противотока для интенсификации процессов, использование принципов разделения – фракционирования – получения однородного материала – его отдельной обработки – дальнейшего смешения и наложения с получением более управляемого и качественного материала.
Повышение степени «замыкания» схем.
Эта тенденция особенно проявляется в таких операциях как: регенерация, рекуперация, ступенчатая очистка, сортирование, возврат осветленной и подсеточной воды, формирование пароконденсатных схем с возможностью полного использования энергии конденсата, отсутствия вторичного вскипания и т.п. использование отходов и их доведение до безопасного состояния. Повышение безотходности за счет замыкания схем и использования специальных очищающих контуров очистки.
Использование замыкания все большего числа контуров в общую схему с целью полного использования его потенциала.
Пример. При промывке целлюлозы помимо свежей воды предусмотрено максимальное использование оборотной воды. Для утилизации тепла оборотных вод предусматриваются теплообменники, в которых свежая механически очищенная вода нагревается до 40оС и используется в системе повторного водоснабжения. На подслой фильтра для улавливания волокна используется брак после пульсационной мельницы. Осветленная вода используется на спрысках сгустителей брака, дискового фильтра, на спрыски в сеточной части и отсасывающих валов. Мутный фильтрат возвращается на дисковый фильтр для повторного осветления. Разбавление многих полуфабрикатов, например, бумажной массы после подмола проводится регистровой водой.
Использование совмещения блоков.
Пример. Вихревая очистка совмещается с декулатором, где проводится деаэрация. Очистители 3-й ступени могут иметь регуляторы количества отходов.
Переход вспомогательного оборудования в основное в виде подсистемы.
Пример. Замена последовательного соединения элементов одновременной обработкой несколькими процессами или максимальное устранение транспортных трактов и плеч между участками технологического процесса.
Ступенчатые схемы.
Пример. Бумажная масса, поступившая на машинный бассейн из массоподготовительного отдела, направляется в дисковую мельницу для подмола.
Предварительная обработка сырья и массы с целью получения большего эффекта. Пример. Предварительная кислородно-щелочная обработка перед отбелкой позволяет исключить ступень опасной гипохлоритной отбелки и снизить расход хлора и каустика.
Пример. После выхода массы перед деаэратором устанавливают вихревой очиститель для повышения содержания воздуха в массе и более эффективного его удаления.
Интенсификация технологического процесса.
Включает повышение концентрации и необходимость разработки специальных клапанов для реализации течения массы средней концентрации, увеличение количества используемых химикатов, добавок, ингибиторов и др. Повышение давления, температуры, концентрации, агрессивности обрабатывающих сред, скорости потока, использования внутренних физико-химических эффектов, например, эндотермических, экзотермических реакций, изменения растворимости с температурой и давлением, адсорбции-десорбции и др. Использование пульсационных процессов и схем обработки, закономерностей образования и течения флоккул и флокулярного течения массы. «Химизация» и «биологизация» технологических схем.
Пример. Применение все большего числа химикатов, биоцидов. Сведения о производстве целлюлозы биологическими методами при помощи бактерий. Способ «варки» целлюлозы, когда слона кормят определенными волокнистыми травами, получая «на выходе» хорошо подготовленное целлюлозное волокно.
Последовательное применение "обрабатывающих" полей
Работает определенная последовательность в развитии применения тех или иных силовых «полей».
Пример. Для создания перепада давлений сначала используют гравитационный перепад под действием силы тяжести, далее увеличивают разницу давлений за счет столба жидкости, насосов с использованием не только гидростатического, но и гидродинамического напора и т.п.
Замена гравитационных систем перетоков значительно более управляемыми динамическими напорными системами.
Пример – насос и вентилятор.
Пример. В горении развитие шло по очевидной цепочке: воздух – воздушное напорное дутье – кислород – озон – переход к другим окислителям (и пиролиз) – ионизированные окислители – плазма. При этом процесс управления горением включал в себя следующие стадии: неуправляемое горение – управление подачей горючего и окислителей (современный этап) – непосредственное управление процессов горения (катализаторы, тепловые, механические, электрические воздействующие поля).
Поиск и использование вторичных ресурсов.
В случае невозможности их прямого использования – предварительная обработка. Замена высококачественного сырья низкосортным. Восполнение недостатка за счет установки дополнительных узлов и контуров в основную технологическую схему.
Пример. Вывод грубых загрязнений на первом этапе, постадийная очистка.
«Динамизация» технологических схем
Пример. Использование вакуумного фильтра- сгустителя вместо гравитационной решетки.
Использование одного элемента технологической схемы для нескольких операций. Пример. Использование вакуум-сгустителя для целей промывки.
Замена инерционных элементов технологических схем на более динамические.
Примеры. Замены инерционных бассейнов на сосуды меньшей емкости, с переходом к динамическому управлению при помощи автоматических регуляторов. Внедрение систем сгущения-разбавления и включение специальных измерительных устройств в технологический процесс для гарантирования показателей массы. Устранение крупных емкостей на обработку в процессе транспортировки суспензии. Пример – смешивание по технологии Lobemix в статическом смесителе вместо смешения в отдельном баке с мешалкой.
Специализация и интеграция контуров регулирования в оборудование и процесс. Выделение агрессивной обработки в специальный блок на технологической схеме с возможностью лучшего контроля. Развитие специализированных измерительных контуров и выделение их из общих технологических контуров регулирования. Выделение стандартных модулей их стандартизация и унификация, выделение специальных контуров и типового оборудования и нестандартного оборудования.
Пример. Контур регулирования расхода традиционно состоит из 2-х регулирующих клапанов и 4-х отсечных, объединенных в один агрегатированный узел.
Увеличение числа вспомогательных контуров, обеспечивающих лучшее выполнение функций основными. Интеграция с целью повышения надежности.
Пример. Обработка на некоторых узлах, см. пример выше – вакуумный сгуститель идет при вращении одного барабана с разными участками, которые раньше выполнялись последовательно. При такой интеграции достигнут и еще один «сверхэффект» – повышение надежности, поскольку были устранены дополнительные материальные связи между контурами, вносившие свои возмущения.
Стремление к повышению гибкости работы каждого элемента схемы.
– возможности сочетания параметров и "погашения" нестабильных параметров между предыдущей и последующей ступенью схем; обеспечение наиболее стабильного качества на выходе из каждой ступени на последующую; формирование дополнительных контуров, снижающих воздействие одной ступени на другую, если невозможно устранить вредный эффект, появившийся на предыдущей ступени.
Общие тенденции – снижение размеров и «компактизация» технологических схем, учет особенностей течения и реологии волокнистых суспензий, снижение гидравлических сопротивлений потоку, использование физико-химических и геометрических эффектов и особенностей протекания среды по гидротранспортным системам. Повышение управляемости технологического процесса за счет более совершенных контуров регулирования.
1.2. Закономерности развития технологических схем и контуров регулирования
Повышение степени идеальности технологических схем ЦБП
Определяя развитие технологических схем, можно сказать, что они, как и любая техническая система, двигаются в направлении повышения их «идеальности». При этом это возможно как за счет увеличения числа выполняемых полезных функций, так и уменьшения затрат и снижения вредности. Оптимальные решения достигаются при одновременном росте «полезности» и снижения «вредности».
Основными тенденциями в рамках уже существующих технологических схем являются следующие (4):
«Дотягивание» – доведение функций до требуемого уровня.
Пример. В связи с ростом непрерывности процесса подготовки массы наиболее часто подвергаются вытеснению элементы схем, работающих периодически. При невозможности получить качественный материал, вводятся новые контуры регулирования.
«Выжимание» – снижение издержек за счет оптимизации.
Пример. Применение вторичного сырья, стандартизация и унификация элементов схемы, исключение избыточных звеньев технологии, повышение управляемости отдельных циркуляционных схем, использование замкнутых циклов с возвратом оборотных вод, осветленной воды и т.п.
«Коррекция» – компенсация вредных функций.
Пример. Введение флотационных установок как для очистки воды, входящей в технологическую схему, так и для очистки сбросных вод. Применение шламовых прессов в схеме. Перевод открытых участков технологических схем на замкнутые, далее замкнутых на циркуляционные.
«Универсализация» – увеличение количества выполняемых полезных функций и включение функций других систем.
Пример. Контур сгустителя может работать и как узел промывки при минимальных модернизациях.
«Специализация» – усиление каких-либо полезных функций при отказе от других.
Пример. Специализация технологической схемы на обработке вторичного волокна из макулатуры.
«Повышение единичной мощности» – наиболее характерная тенденция, связанная с принципами формирования технологических схем для массовой продукции, и дает существенную экономию на масштабе. В связи с резким повышением требований к обеспечению непрерывности процесса при минимальных простоях, повышению надежности и исключению человеческого фактора является одной из ведущих при внедрении системы управления и контуров регулирования.
В дополнение можно сказать, что степень идеальности может быть повышена и поэлементным анализом каждого участка технологической схемы. Традиционно внимание конструкторов и технологов привлечено к основным элементам схем, в результате чего вариант выполнения вспомогательных участков выбирается почти случайно. Так, повысив внимание к вспомогательным, второстепенным и вредным функциям можно добиться эффекта, сравнимого с эффектом от повышения эффективности основных функций.
Пример. Анализ, проведенный специалистами Metso Automation, показал, что 2% капиталовложений в автоматизацию по каждой из 6 БДМ в компании UPM Kummene, могут привести к суммарному повышению эффективности и производительности на 15%, что равносильно отказу от покупки 7-й БДМ.
В случае установки нового эффективного оборудования в технологической схеме будут накапливаться противоречия, выражающиеся в том, что будут проявляться сбои на наиболее слабых участках, не способных эффективно обслуживать новое решение. Однако, также хорошо известно, что сильные решения долго не внедряются, тогда как основное развитие получают не самые эффективные решения.
Пример. Давно известно, что цифровые позиционеры дают значительно больше полезных функций по сравнению с аналоговыми. Однако, в связи с неготовностью других подсистем к их внедрению они, даже приходя с проектом на ЦБК, вытесняются со временем аналоговыми позиционерами.
Использование ресурсов в технологических схемах
В технологических схемах велико значение ресурсов и их использования. Так, на выходе лучшая технологическая схема «сама» пытается полностью извлечь полезный эффект из обрабатываемой массы и материала.
Одновременно решаются задачи использования внутренних производных ресурсов и извлечения из них максимального эффекта.
Пример. Установка флотоловушек между операциями. Возврат теплой оборотной воды на разбавление и гидроразбиватель. Возврат брака и его размол с возвращением его в процесс.
Пример. Применение гидроразбивателей высокой концентрации не в маловажной степени связано с тем, что масса высокой концентрации, перетирая себя сама, значительно лучше дефибриллируется. Поскольку масса высокой концентрации не может течь, для ее движения применяют ротор с возможностью ее проталкивания на турбосепаратор, расположенный прямо под ним. Дополнительно используется и само давление столба массы под действием поля гравитации. Разбавление происходит непосредственно перед турбосепаратором.