Курс «Регулирующая арматура в системах автоматизации»
Другими видами ресурсов технологических схем могут быть ресурсы пространства.
Пример. Уменьшение транспортного плеча в технологических схемах, компактизация схем позволяет уменьшить среднюю длину перекачки массы, общее значение гидравлических сопротивлений и снизить потребление энергии насосами.
Пример. Интересным примером внедрения поворотных заслонок вместо задвижек являются не только технические преимущества, связанные с лучшей регулируемостью, но в значительной степени резкое уменьшение строительной длины. При этом при полном перерасчете можно показать, что основной эффект достигается за счет уменьшения общей длины трубопроводов и уменьшением подпора насосов и их энергопотребления.
Ресурсы информации. Это наиболее близко связанный с регулированием ресурс. Он может быть получен как от КИП, централизованной системы, визуального осмотра, оценки шумов, вибродиагностики и т.д. По ним можно судить о состоянии контуров и работоспособности схем.
Ресурсы времени. Это временные промежутки в технологическом процессе, также до и после него, между процессами, не использованные ранее. Одним из применений является обработка в процессе транспортировки.
Примеры. Статическое смешение по технологии LobeMix.
Составление композиции в процессе подачи химикатов.
Замена периодических процессов на непрерывные.
Передача информации в виде импульсов с заданной периодичностью и в сжатом виде в полевых шинах.
Другие ресурсы – функциональные. Это возможности системы выполнять по совместительству дополнительные функции как близкие к основным, так и неожиданные.
Пример. Вихревой очиститель, установленный у деаэратора, позволяет повысить концентрацию воздуха в массе перед ее удалением и повысить степень удаления воздуха в целом.
Регулирующий клапан с антикавитационным элементом Q-trim способен не только снижать кавитацию, но и приводить поток к ламинарному состоянию, что снижает вероятность формирования узелков.
Небольшие приспособления на регулирующих заслонках позволяют использовать энергию потока на закрытие, существенно снижая поворотный момент.
Системные ресурсы. Это новые полезные свойства, которые могут быть получены при изменении связей между подсистемами или при новом способе объединения систем.
Пример. Чтобы клей не застывал в трубопроводах при подаче в композиционный бассейн, обеспечивают его рециркуляцию.
Использование вредных веществ или следствий технологии.
Пример. Насосы всегда заглубляются, чтобы поток вязкой среды одновременно служил и подпором, снижая вероятность кавитационного режима.
Удаляемая паровоздушная смесь от сушильной секции рекуперируется и нагревает воду или входящий свежий воздух.
Развертывание технологических схем
В своем развертывании технологические схемы прошли несколько основных этапов. Рассмотрим их на примере БДМ и РПО.
Этап 1 – формирование функционального центра. На этом этапе сформировалась основная функциональная цепочка из подсистем (разволокнение, налив, обезвоживание, сушка, накат). Они выполняли лишь основную функцию изготовления бумаги. Вредные элементы, вещества, процессы, сформированные на предыдущем этапе, подлежало компенсировать. Это дало толчок к развитию подсистем технологических схем. Так, появляется пресс; сушильная часть облекается сушильными цилиндрами; обезвоживающий стол сетками на регистровых валиках. Части системы обвязываются энергетической, функциональной и информационной связью. Это стало очевидным с переходом к полностью непрерывному процессу и увеличением скорости.
Развитие пошло от функционального центра и к периферии. Каждый из основных улов функционального центра начал обрастать своими подсистемами.
Пример. Введение регулирования в каждом основном компоненте.
Появление сукноведущих систем в участке обезвоживания.
Появление напускного устройства между 2-мя основными узлами. Дальнейшее его развитие в напорный ящик.
Появление отсасывающих валов на этом участке. Формирование участка разволокнения в непрерывном режиме.
Включаются дополнительные подсистемы, расширяющие возможности.
Пример. Турбосепаратор в узле разволокнения. Узел очистки и сортирования. Увеличивается число ступеней и уровней в технологической схеме, за счет ее внутрисистемного дробления путем разделения ее на однородные подсистемы либо разнородные разнофункциональные системы.
Пример. Увеличение ступеней сортирования и очистки. Каскады центриклинеров. Разделение очистки на очистку от грубых и легких включений.
Следующим этапом становится переход к ретикулярной сетчатой системе.
Пример. Сигналы обрабатываются в месте их появления, намечается переход от централизованной системы обработки информации к матричной.
Эта возможность также становится явной в связи с заменой основных управляющих связей от механических с переходом к информационным.
Пример. Все пульты управления 60-х годов строились в основном на пневмомеханизмах. В настоящее время характерны электрические сигналы по кабелям. В ближайшем будущем они трансформируются в полевые шины с цифровой передачей сигнала. Уже в качестве каналов передачи управляющих воздействий используют оптико-волоконные кабели со значительно более высокой интенсивностью передачи сигнала. На ряде современных предприятий установлены беспроводные системы передачи данных на основе сотовой связи.
Таким образом, развитие систем поддержки сигнала управления приходит к максимальной идеализации. «Кабеля нет, но его функция выполняется».
В схеме и ее элементах происходит одновременно и создание целых комплексных агломератов, в дальнейшем формирующих надсистему. Так, РПО начинает развиваться как самостоятельный комплекс в составе надсистемы БДМ.
Сначала это объединение из разнородных элементов, дающих новые системные свойства.
Пример. На первом этапе вихревого очистителя использовались решения, пришедшие из технологии центробежных очистителей. В дальнейшем они развивались специально под технологию очистки волокнистых суспензий.
Системы начинают создаваться также и из одинаковых или однородных подсистем.
Пример. Простейший случай – батареи центриклинеров.
В технологические схемы включаются и отдельные участки со сдвинутыми свойствами.
Пример. Так, комплекс очистки, промывки и сортирования, близкий по выполняемым функциям формирует единый технологический поток на предприятиях
В случаях, когда для выполнения функции были использованы несколько путей, и они исчерпываются, происходит их объединение с целью достижения синергетического эффекта. Недостатки каждого способа компенсируются, преимущества складываются.
Пример. Для поддержания рН среды ее сначала избыточно окисляют, а потом снимают остаток щелочной обработкой.
Пример. Поскольку трудно подать точное количество среды, используют переливные устройства, системы рециркуляции, где сначала подают избыток среды, а избыточную часть отводят.
В целом такие решения позволяют повысить именно управляемость и стабильность выполнения технологического процесса, произвольно менять его параметры в широком диапазоне.
Пример. Для получения пара с параметрами влажности в широком диапазоне (насыщенный, влажный, сухой, перегретый) используют редукционно-охлаждающие установки (РОУ) с подачей одновременно и воды и пара.
Свертывание технологических схем
С развертыванием и усложнением технологических схем одновременно идет и процесс их свертывания. Если минимальным свертыванием можно принять создание связей между отдельными узлами, то полным будет установление неразделимых связей.
Пример. Если ранее РОУ (редукционно-охлаждающая установка) состояла из 4-х клапанов подачи воды и пара и форсунки, то теперь они объединены в одном корпусе. Расчет проводится при этом по более сложным формулам, степень повышения качества работы такого РОУ значительно выше, чем РОУ состоящего из нескольких элементов.
Повышение динамичности и управляемости технологических схем
Как говорилось раньше, идеальная технологическая схема – когда ее нет, но ее функция выполняется. Важной частью процесса перехода к идеальной системе является повышение ее динамичности и управляемости, т.е. способность к целенаправленным изменениям, обеспечивающих улучшение адаптации, приспособление системы к меняющейся и взаимодействующей с ней средой. Важнейшим способом устранения противоречий в системе является превращение постоянного неизменного параметра в переменный, управляемый. Так, в технологическую схему могут встраиваться различные новые и сменные элементы.
Пример. Расходное оборудование в технологическом оборудовании.
– сита в сортировках,
– гарнитура и ножи у размольных мельниц,
– модульное и блочное исполнение элементов автоматизации для легкой смены и установки более совершенных новых элементов.
Увеличивается степень степеней свободы.
Примеры. Важнейшим принципом в регулировании становится возможность расширения диапазона регулирования.
Регулирующий клапан MBV серии Neles в настоящее время выполняется с изменяемой шарнирной связью между штоком и поворотным затвором, тогда как раньше это была единая литая конструкция (серия Р).
Уплотнение в клапане в настоящее время выпускается в версии повышенной эластичности, способной выдержать значительно большее число циклов, чем предыдущая версия.
Если раньше использовались крупные резервные емкости для обеспечения надежности и непрерывности технологического процесса, то в настоящее время это делается все больше и больше средствами автоматического регулирования.
Происходит переход на микроуровень.
Примеры. Химизация обработки массы при применении все большего и большего числа химикатов.
Элементы технологических схем имеют тенденцию к уменьшению размеров за счет применения все большего числа видов физико-химической обработки материала.
Пример. Электрическое поле, приложенное к топливу перед подачей его в форсунку СРК или котел, позволяет до 15% получить большую эффективность горения и формирования факела.
Пример. Для точного регулирования используют основной регулирующий контур, осуществляющий грубое регулирование и малый контур, сопряженный с первым для осуществления окончательного регулирования.
Видится и переход к системам, в которых изменяются и становятся динамичными различные воздействующие на процесс поля.
Пример. Гидрокавитатор с применением полей сжатия и разрежения позволяет лучше фибриллировать волокна перед обработкой.
Пример. Вихревой очиститель с применением центробежных сил обеспечивает лучшее отделение тяжелых и легких включений.
Пример. Понимание реологии истечения суспензий позволяет спроектировать лучшие напорные ящики, обеспечить лучшее регулирование и т.п.
Пример. Регулирование входных и выходных давлений в сушильном цилиндре позволяет снизить неуправляемое появление конденсата внутри с образованием конденсатного кольца, снижающего теплопроводность и эффективность сушки бумаги.
Пример. Для высокоточного регулирования веса м2 используют информационное поле (специальные подпрограммы и алгоритмы устранения колебательности контура регулирования).
Тенденция разделения на быстропротекающие и медленно протекающие процессы в настоящее время с переходом к непрерывности процесса все больше будет склоняться в сторону быстропротекающих процессов. Для этой цели в технологический процесс и технологические схемы будут вводиться специальные узлы и вещества, способствующие ускорению реакций. Также будет происходить и замена периодически действующего оборудования.
Пример. Гидроразбиватель периодического действия имеет цикл до 15 мин. Барабанный гидроразбиватель работает непрерывно.
Повышение управляемости технологических схем
Предусматривает:
Принудительное управление в виде введения управляющих веществ и устройств.
Примеры. Введение регулирующей и запорной арматуры на прежде нерегулируемых участках.
Пример. Введение управляющих полей – например, в датчиках концентрации, где оптическое поле позволяет работать в области низких концентраций, и где применение механические полей невозможно.
Введение хорошо управляемого процесса, действующего против основного, которым нужно управлять.
Пример. Введение катализаторов, ингибиторов.
Введение подпора и противодавления.
Введение термоциклирования. Введение гидрокавитаторов.
Циклы ускорения процесса, его замедления, нагрева-охлаждения, повышения числа рН или уменьшение (кислотности – щелочности).
Введение самоуправления и самообслуживания.
Пример. Концентрация среды, изменяя давление и нагрузку в рафинере, позволяет лучше управлять размолом.
Введение обратных связей – наиболее характерный способ избежать колебаний в процессе. Замыкание контуров, смыкание контуров для взаимоконтроля или получения показаний от одного контура к другому – одно из наиболее эффективных решений.
Примеры. Специальные подпрограммы в системе автоматизации, координирующие действия контуров между собой.
Изменение устойчивости
От системы с одним статически устойчивым состоянием в системе осуществляется переход с несколькими устойчивыми состояниями и далее к системам, устойчивым динамически.
Пример. Стабильность техпроцесса технологи ставят выше качества его выполнения. Среднее качество при стабильном процессе лучше, чем нестабильное при высоком качестве выходного продукта.
Формирование устойчивости за счет движения, проходящего через систему, потока энергии, информации, управления. В идеале, как и в современных самолетах, устойчивость будет нулевой, а стабильность и безопасность работы будет обеспечиваться непрерывной работой автоматов и регулирующих воздействий. Этим обеспечивается максимальная динамичность.
2. Развитие контуров регулирования в составе технологических схем
Как уже ясно, контуры регулирования развиваются под влиянием требований технологических схем.
Чтобы не вдаваться в подробности развития структуры контуров, можно сказать, что они в полной мере соответствуют требованиям каждого этапа развития типовых технологических схем. Из факторов, наиболее значимо влияющих на развитие контуров регулирования, можно выделить время выполнения задания, точность поддержания того или иного параметра, особенности переходных процессов и стабильность. Также, как и для БДМ 3-го этапа, контуры регулирования начинают применять специальные программные алгоритмы для устранения недостатков регулирования, в частности большое применение находит подбор того или иного закона регулирования, выявления передаточных функций, алгоритмов снижения или устранения переходных процессов по амплитуде и времени. От регулятора с прямыми механическими связями регуляторы переходят к более гибким энергетическим и информационным связям (пневмосистемы, гидросистемы), далее управление переходит и к сервоуправлению (силовые источники управления) и, наконец, прямое управление полностью заменяется информационным по схеме – аналоговый сигнал, аналогово-цифровое управление (HART протокол) и далее развитие приближается к цифровому сигналу на основе полевых шин Profibus. Как уже было сказано выше, в дальнейшем связи совсем исчезнут, заменяясь беспроводной связью.
Процессы в контуре, проходящие в связи с традиционными переходными процессами и особенностями поддержания требуемого параметра, можно найти в литературе. Для оптимизации контуров стали использоваться многопараметрические уравнения и алгоритмы. В частности в настоящее время специальное программное обеспечение помогает осуществить точное позиционирование клапана регулирования веса м2. По сравнению с точностью обычного регулирующего клапана в составе контуров регулирования (0,2%) точность выросла до 0,007%, т.е. увеличилась почти в 30 раз. Таким образом, снизилась колебательность процесса. Как мы помним, она является главной проблемой технологического процесса, связанного с регулированием. Также продолжается работа над уменьшением переходных процессов по времени и амплитуде, расширением диапазона, в котором может работать контур, снижением вероятности автоколебаний и других процессов. Особенное внимание, также как и в технологических схемах, уделяется повышению надежности, долговременной стабильности, сохранению уровня погрешностей в длительном периоде эксплуатации, возможности самодиагностики контура. Особенное значение приобрела необходимость со стороны технологических схем к повышению динамической устойчивости регулирования.
С развитием этой тенденции контуры начали переходить от прямых связей и непосредственного регулирования к регулированию при помощи информационных связей. Характерным был уход от автоматических регуляторов прямого действия к регуляторам с логической связью и контроллерами, обеспечивающими контроль выполнения функций. Выделение функции управления в контурах продолжает расти, дополняясь различными настроечными параметрами, выполняя вводимые новые полезные функции, контролируя и развивая системы сообщений о различных неисправностях, отклонениях, предотвращая аварии контура.
На работу контуров регулирования сильное влияние оказывают необходимость выполнения законов согласования работы отдельных участков технологической схемы между собой. Альтернативой может быть и рассогласование. В развитии контуров регулирования прослеживаются следующие основные этапы.
Прямое согласование – когда изменение одного параметра требует пропорционального изменения другого.
Обратное согласование – изменение одного параметра требует нелинейного изменения другого.
Однородное согласование – согласуются однотипные параметры, например, давление – давление, расход-расход.
Неоднородное согласование – согласование разнотипных параметров. Пример: Расход воды – расход пара. Расход воды – температура пара.
Внутреннее согласование – согласование параметров с надсистемой, т.е. с теми параметрами участка технологической схемы, куда входит контур регулирования. Пример. Выбор компонентов контура по долговечности всей системы в целом для обеспечения одновременного выхода на ТО (техобслуживание).
Внешнее согласование – согласование параметров системы с внешней средой. Пример. Учет особенностей протекания массы, общей вибрации по трубопроводу, условий эксплуатации и загрязненности среды сернистыми соединениями.
Непосредственное согласование – согласуются контуры регулирования, связанные между собой. Например, контур разбавительной воды, контур датчика концентрации после машинного бассейна.
Если сначала это было принудительное согласование, то в дальнейшем – это согласование с помощью специально вводимых согласующих звеньев и, наконец, – самосогласование – согласование за счет того, что системы могут работать в одном режиме.
Начав с одного функционального центра – контура регулирования веса м2, клапаны точного регулирования начинают свое триумфальное шествие по всей технологической системе.
Согласование по ритму технологического процесса
Для согласования работы схемы в целом, контуры должны согласовать свою ритмику, все контуры должны соответствовать ритму и темпу обслуживаемого технологического процесса.
Пример. Подача воды на разбавление должна соответствовать подаче массы с определенной концентрацией.
Одновременно для других случаев потребовалось и рассогласование.
Пример. Изменение строительной длины регулирующего клапана в трубопроводе позволяет отстроить амплитуду его собственных колебаний (виброактивность) от амплитуды колебаний трубопровода и пульсаций массы, тем самым расстроить возможный вход в резонанс.
Динамическое согласование.
Пример. Определение концентрации в одном контуре позволяет прогнозировать подачу разбавляющей воды в другом контуре.
Самосогласование.
Часто контуры настраиваются на один режим в результате слабых управляющих воздействий, что в целом повышает стабильность регулирования и технологического процесса.
Согласование по структуре контуров регулирования в технологических схемах.
Контуры в системах должны быть согласованы.
Пример. Неудачи с продвижением сложного контура регулирования веса м2 для небольших предприятий связана, в т.ч. и с тем, что такой контур не поддерживается другими контурами, которые должны обеспечивать его работу. Системы с резко отличающимся уровнем сложности плохо взаимодействуют между собой.
Далее, если на первом этапе развивается установка согласующих промежуточных контуров, то далее они все больше исключаются. Они поглощаются как узлами оборудования, входя в них в качестве подсистемы регулирования, так и заменяются совсем.
Пример: регулирующие клапаны в составе установки РОУ в настоящее время заменяются одним специализированным контуром РОУ.
Стандартизация элементарных частей контура.
Это стандартизация датчиков, протоколов, типов кабелей, типов алгоритмов и регулирующих клапанов.
Пример. В простой котельной уровень унификации исполнения узлов регулирования по схемному решению может достигать 40-60%.
Общее направление развития – от использования однотипных контуров к переходу к модульным конструкциям.
Пример. Современные участки трубопровода для установки регулирующих клапанов стандартизированы. Их легко выбрать по таблицам.
Рассогласование.
Также важно отметить, что одновременно в связи с различными условиями работы контуры будут дифференцироваться. Они стремятся стать оптимальными для обслуживания технологического процесса по различным параметрам (концентрация, давление, температура, состав, скорость обработки информации). Так выделяются специализированные и критические контуры регулирования.
Динамическое согласование.
Переход к динамическому согласованию различных контуров регулирования.
Пример. Барабанный сгуститель зависит от согласованной работы до 6 контуров регулирования одновременно. Такие же требования налагаются и на напорную сортировку (не менее 3-5 контуров регулирования) и вихревой очиститель (не менее 3-х контуров и специализированный контур отвода отходов).
Наиболее эффективны решения, в которых происходит самосогласование контуров. В этом случае необходимо применять как математические модели, так и физико-химические эффекты.
Пример. Прогнозирующий алгоритм при регулировании веса м2 позволяет устранить перерегулирование.
Пример. Обеспечение работы клапана в кавитационной области позволяет избежать гидравлического удара.
Пример. Для обеспечения регулирования воды в небольших отводах гидравлической схемы при значительном изменении расхода в главном трубопроводе, они могут быть расположены под таким углом, и вход в ответвления может быть выполнен так, что создаются завихрения и турбуленции. Они ограничивают приток жидкости. Создается автоколебательный режим, также ограничивающий приток жидкости.
Согласование по потоку
Технологическая схема работает по принципу согласования и неразрывности потока по уравнению материального баланса. Контуры также должны отвечать этому требованию по пропускной характеристике, входным и выходным сигналам, быстродействию, отсутствию шумов, помех и колебательности.
Согласование по потоку будет выглядеть как настройка контуров регулирования на передачу потока от одного участка к другому с минимальным нарастанием погрешности и отклонений от основного номинального значения.
Согласование по надежности
Используются принципы равнонадежности основных стандартизированных контуров. Далее вводятся специальные элементы контроля за надежностью (концевые выключатели), устройства с пониженной надежностью (работа в кавитационной области во избежание гидравлического удара), установка специальных бустерных устройств с целью обеспечения быстрого открытия-закрытия устройства; самодиагностики (самодиагностика клапанов в пределах контура для выявления вероятности залипания и несрабатывания в аварийных клапанах, самодиагностика для выявления накопления скрытых неисправностей с целью повышения длительной эксплуатационной надежности.
Важно отметить, что в рамках самого контура должно обеспечиваться согласование взаимодействия датчика и регулирующего органа с исполнительным механизмом.
Специализация контуров
В составе технологических схем началась значительная специализация контуров. В зависимости от участка контуры регулирования начали все больше соответствовать выполняемой функции. От выполнения универсальных функций регулирующие клапаны начали рассчитываться на соответствие условиям применения. Гарантии производители начали давать только по результатам заполнения опросных листов и расчета. В первую очередь приоритетное развитие получают контуры регулирования концентрации и наиболее критические контуры регулирования.
Под критическим контуром регулирования понимается контур, в котором небольшое изменение входных параметров приводит к недопустимо большому колебанию выходных параметров, которые не могут с достаточной степенью точности и в допустимых пределах устранены контуром регулирования, в основном из-за недостаточной точности регулирующего органа и исполнительных механизмов. Примеры. Наиболее часто – это контуры концентрации и разбавления, однако, ими могут быть и другие контуры. Так, например, сгущение представляет собой с точки зрения контуров регулирования сложную динамическую взаимосвязь нескольких качественно различных контуров. Но в результате сгущения технологически могут быть утеряны достоинства, например, фракционированной массы. Это равносильно тому, как если все слить в один бак. Для получения того же качества среды после такого сгущения придется практически заново проводить регулирование.