Курс «Регулирующая арматура в системах автоматизации»

Часто арматуру не рассматривают как существенную часть систем автоматизации, ограничивая названием «звено регулирования» или «исполнительный орган (устройство)». Однако, в зависимости от уровня используемой арматуры, можно либо получить требуемое качество и характеристику регулирования, либо постоянно испытывать проблемы с колебательностью процесса, погрешностью регулирования и т. п.

Ниже мы проведем небольшой экскурс в развитие регулирующей арматуры в составе контуров регулирования и попробуем определить эффективность применения поворотной арматуры в них при замене арматуры с линейно-поступательным перемещением штока.

КОНТУРЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ

Первым контуром регулирования был механический контур с регулятором прямого действия с непосредственным регулированием. На многих старых предприятиях еще можно встретить контуры регулирования с использованием рычажных механизмов с механической связью элементов между собой. Рост скорости проводимых процессов с увеличением давления в потоке и требований к быстродействию регуляторов приводил к значительному усложнению, как клапанов, так и конструкций, обеспечивающих их движение. В частности, это проявилось в сложной связи клапана с грузами или пружинами для обеспечения регулирующего воздействия.

Стал более заметен и другой недостаток прямых регуляторов – их неспособность строго поддерживать заданное значение регулируемой величины при различных нагрузках объекта. В дальнейшем этот дефект, названный «статической ошибкой» или «неравномерностью регулирования», так и остался не решенным в рамках механических регуляторов и регуляторов прямого действия. Например, прямой регулятор с мембранным механизмом может иметь ошибку позиционирования до 20% при отсутствии корректирующей обратной связи.

Чтобы улучшить точность регулирования, пытались увеличивать длину рычагов. Однако это приводило к потере устойчивости системы регулирования и появлению расходящихся колебаний регулируемой величины. Видя основную причину во внутреннем трении, конструкторы пытались снизить само трение. Однако это не решало проблемы в связи с тем, что устойчивые процессы с минимальной остаточной неравномерностью регулирования не достигались в рамках пропорционального способа регулирования. Повышения точности систем с пропорциональным способом регулирования не происходило и при использовании многих других конструкторских ухищрений.

Чтобы устранить астатизм в системах регулирования с пропорциональными регуляторами, начали вводиться принудительные виды согласования, в частности, приводы с подводом внешней энергии и корректирующей обратной связью. Корректирующая обратная связь сформировала приемлемый алгоритм функционирования регулятора. Так появился регулятор непрямого действия с внешним подводом энергии для управления контуром, состоящим из измерительного элемента, привода и элементов демпфирования и коррекции, например, пружин в пневмоприводе. В настоящее время его схема широко применяется в аналоговых пропорционально-интегральных (ПИ) регуляторах.

Как видно, пропорциональный (П) регулятор, рассмотренный нами на основе жестких механических связей «свернулся» и стал частью более совершенного ПИ–регулятора, который за счет интегральной составляющей обеспечивает сведение ошибки пропорционального регулирования в установившемся режиме к нулю. Необходимость уменьшения переходных процессов и снижение влияния разгона регулятора при приближении к заданному значению сигнала были разрешены в рамках развития ПИД–регуляторов, использующих при формировании управляющего сигнала дополнительно величину скорости изменения сигнала ошибки.

Хотя названия ПИД, ПИ и П–регуляторов были введены только в 50-х годах, они стали типовыми и в настоящее время также широко используются, наряду с более современными вычислительными алгоритмами. Такой механизм отлично вписывается в человеко-машинную систему, моделируя типовые действия оператора при обнаружении отклонений.

Множество связанных между собой объектов регулирования в рамках регулирования одной регулируемой величины привели к необходимости одновременного расчета нескольких контуров регулирования. В результате стало важным согласовывать связи между различными контурами для реализации закона регулирования по единым протоколам, воспринимаемым всеми элементами многосвязного контура. Такие задачи часто встречаются в тепловых схемах ТЭС.

Переход к сложным многосвязным контурам в свою очередь знаменовал качественно новый этап развития систем регулирования, поскольку речь шла о переходе от регулирования отдельно взятых элементов к комплексному управлению сложным технологическим процессом. Состояние такого процесса характеризуется большим количеством регулируемых величин, имеющих различную природу, и которые постоянно изменяются под воздействием случайных неконтролируемых возмущений.

Возможность строгой синхронизации всех контуров между собой была одной из предпосылок создания непрерывных процессов высокой производительности. Лучше всего в контуре этому отвечали не механические, гидравлические или пневматические связи в контуре, а электрические. Связь между измерительным элементом и клапаном опосредствуется электрическими сигналами, развиваясь по схеме: «Аналоговый сигнал» – «Аналогово-цифровой сигнал» – «Цифровой сигнал». Техническим средством для этого стал переход от электронных ламп к полупроводникам и далее к микросхемам, чипам и мощным микропроцессорам. В дальнейшем, с ростом объема передаваемой информации, ожидается переход на оптико-волоконные системы передачи сигналов, а с развитием промышленной беспроводной связи и переход к сотовой системе. Ряд крупных электростанций за рубежом уже оборудован подобными системами.

Переход с аналогового сигнала на цифровые протоколы на верхнем уровне системы АСУ ТП создали основу для полной «оцифровки» контуров регулирования. С этого момента начинает развиваться информационная составляющая контуров регулирования, заключающаяся как в росте данных для диагностики и ее обработки в рамках контура, так и в увеличении внутренних связей между элементами контура, например, между измерительным элементом и собственно клапаном. Так, в современном цифровом контуре регулирования значительная часть данных обрабатывается внутри контура. Это позволяет значительно упростить связи между нижним уровнем автоматизации и системой управления. На верхний уровень системы автоматизации поступают только данные по отклонениям, заданные системой АСУ ТП. Раньше все эти функции выполнялись непосредственно системой АСУ ТП.

КЛАПАНЫ В КОНТУРАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Развиваясь под давлением со стороны требований выполнения параметров технологического процесса и особенностей контуров регулирования, регулирующий клапан прошел в своем развитии несколько основных этапов. Сначала, определившись как регулирующий орган для целей техпроцесса, он стал инструментом регулирования.

Из-за невозможности выполнить регулирующую функцию в динамически меняющейся системе быстрое развитие получили приводы с появлением дополнительной вспомогательной подсистемы – гидропневмопривода\электропривода. Чтобы управлять движением силового привода, сразу же возникала необходимость установки позиционера, концевых выключателей и других устройств, обеспечивающих синхронизацию движения привода с заданием. Т. е. вместе с приводом регулирующий клапан получил силовую составляющую. Ручной маховик был заменен на управляемый силовой (пневматический, гидравлический, электрический) привод.

С появлением позиционера клапан стал получать команды и регулировать собственные параметры действия (например, снимать рассогласование между отдельными элементами клапана) в соответствии с логикой процесса регулирования. Поскольку позиционер получил возможность включать в себя и информационные инструменты, получать данные от датчиков и преобразовывать собственную диагностическую информацию, получаемую от собственных сенсоров, то он стал в целом и преобразователем информации и имеет возможность предлагать оператору решения на основе обработки внутренней информации. В частности, встроенная программа диагностики FieldCare дает возможность получать тревожные сигналы и тренды о состоянии и вероятном накоплении неисправностей в клапане.

Впервые проблема различий в отношении к клапану как элементу трубопроводной сети с соответствующими параметрами и расчетными характеристиками, и, как к исполнительному устройству и звену регулирования была наиболее четко поставлена в работе Иткиной Д. (Иткина Д. М. «Исполнительные устройства систем управления в химической и нефтехимической промышленности. Москва, Химия, 1984. 252с.).

В работе было показано, что статическая характеристика объекта регулирования и исполнительного устройства регулирующего органа чрезвычайно связаны. При структурном анализе системы регулирования само исполнительное устройство поэтому часто относили к объекту, и коэффициент усиления исполнительного устройства объединяли с коэффициентом усиления объекта. Это приводило к тому, что статическим характеристикам исполнительного устройства регулирующего органа уделялось мало внимания, а порой они вообще выпадали из поля зрения проектировщика.

Ранее учету того, что расходная характеристика исполнительного устройства регулирующего органа играет существенную роль не только в статике, но и в динамике системы регулирования значения также не придавалось. Однако неправильный выбор расходной характеристики часто приводил к снижению статической и динамической точности, к увеличению времени переходного процесса, и даже к автоколебательному режиму.

Со стороны контура регулирования к клапану предъявляются высокие требования. В связи с ростом быстроты и непрерывности протекания процессов, усложнением процесса регулирования, развитием сложных алгоритмов, по которым производится регулирование, клапан должен отвечать все большим требованиям по снижению инерционности, быстроте и точности позиционирования.

Как было показано выше, в наибольшей степени выполнение этих требований стало возможным с развитием цифровых контуров регулирования. В них стала реальной беспрепятственная и помехоустойчивая работа клапана с возможностью цифровой обработки сигналов. Следствием стало, например, развитие новых видов контуров регулирования в составе АСУ ТП с нечеткой логикой и возможностью адаптации, где обработка сигнала производится непосредственно внутри контура, а в систему АСУ ТП поступает уже обработанная информация. При тонком регулировании используются клапаны, способные распознавать переходные процессы и снижать зависимость от них. Например, клапан NelesACE имеет встроенный алгоритм распознавания переходного процесса при регулировании, позволяющий снизить отклонения до минимума и обеспечить «опережающее» регулирование, устраняющее т. н. «перерегулирование», рис. 2. Его можно эффективно использовать, к примеру, в контурах подачи дорогих химикатов, в системах питания участков пароохладителей пароперегревателей и т. п.

Рис. 2. Устранение перерегулирования при применении клапана NelesAСЕ на впрысках питательной воды в пароперегревателях

Роль регулирующих клапанов в составе контуров регулирования тепловых схем весьма значительна. Регулирующие клапаны в контурах регулирования составляют до 70–80 % стоимости самого контура. Выполняя команду системы автоматизации в составе контура регулирования, клапан может вносить самую весомую часть возмущений и вариативности или, другими словами, колебательности в процесс. Если применяются эффективные клапаны, то можно значительно снизить вариативность процесса за счет лучшей работы контура регулирования в целом, рис. 3.

Рис. 3. Снижение вариативности процесса при применении более совершенных клапанов

По оси х – время в часах

По оси у – изменение параметра процесса

Как видно из рис. 2, снижение вариативности процесса в целом позволяет значительно снизить потери сырья, материалов и энергии, вытекающие из большой амплитуды колебаний технологического процесса.

Отвечая требованиям развития технологических схем и контуров регулирования по основным параметрам, сам регулирующий клапан сквозной линией должен иметь характеристики, отвечающие развитию всей системы в целом. Рассмотрим их подробнее.

Идеальным клапаном можно было бы назвать клапан, которого «нет», но его функция выполняется. Идеальное регулирование в соответствии с теорией – это регулирование, обеспечивающее максимальную линейность и пропорциональность расходной характеристики. Чтобы обеспечить максимально возможную линейность характеристики, сам клапан должен иметь максимально возможную равнопроцентную пропускную характеристику при минимальных затратах на выполнение сигнала.

Примером постоянного приближения к максимально возможной линейности регулирования и в клапане – к максимально возможной равнопроцентной характеристике – может быть замена шарового клапана на сегментный в ряде контуров. Улучшение расходной характеристики стало одним из главных «козырей» такого перехода, особенно по краям диапазона регулирования, где сегментный клапан, благодаря специальной конфигурации поворотного затвора, имеет преимущество. Из затрат на выполнение сигнала можно указать и слишком большой ход клапана, как в случае применения клапанов с поступательным движением штока, и большой вес клапана, и значительные гидравлические сопротивления и т. п.

Рассмотрим, как клапаны влияют на формирование возмущений в процессе. В качестве примера можно привести данные изучения снижения вариативности процесса на узле подачи питательной воды в котел, см. вставку.

Регулирующий клапан влияет на снижение уровня переходных процессов и на совершенство регулирования посредством устранения возмущений и приближения насколько возможно к командному сигналу, рис. 4.

Рис. 4. Переходной процесс при регулировании

При изменении заданного сигнала «i» c запаздыванием «t» начинается переходной процесс, превышая заданный сигнал на величину «Н», при этом общее значение отклонения от первоначального сигнала будет отличаться на величину «Н1». Отклонение Н\Н1 определит величину перерегулирования.

Совершенный клапан должен иметь характеристики, позволяющие наиболее точно выполнить заданный сигнал, как можно больше снижая переходные процессы. Совершенство регулирующего клапана в процессе регулирования определяется по специализированным методикам, см. ниже:

Оценка клапанов на предмет совершенства регулирования по этим методикам позволяет связать их с аналогичными характеристиками, принятыми для звеньев контуров регулирования, табл.4.

Табл.4. Основные соответствия между совершенством работы звена контура регулирования и характеристиками регулирующего клапана

Как видно, работоспособность и качество контура регулирования как части системы САР (системы автоматического регулирования АСУ ТП) во многом коррелируют с характеристиками качества регулирующих клапанов, обеспечивающих эти требования. Фактически их можно отнести к сквозным параметрам, связывающим точность контура с точностью клапана.

Динамика клапана, а именно изменение скорости движения его затвора в зависимости от поворотного момента, в связи, как со средой, так и особенностями привода оказывает максимальное влияние на эксплуатационные характеристики. К ним относятся запаздывание, точность позиционирования, стабильность хода и стабильность достижения положения, высокое разрешение при движении, быстродействие, отсутствие люфтов, оптимальные постоянные времени, сила внутреннего трения в клапане и прерывистость движения затвора. Собственные характеристики клапана, такие как гистерезис, мертвая зона, определяют множество характеристик клапана для стационарных процессов. Залипания, связанные с особенностями трения между затвором и уплотняющей поверхностью, а также суммой трений между штоком и сальником, дополнительно повышают трение. Значительно влияют и особенности движения поршня в поршневых приводах. Все приведенные проблемы влияют на точность расхода и на потери в целом, см. пример.

Пример. Имеется клапан мертвой зоной 0,5%. (Специалисты по управлению назвали бы эту характеристику – «зоной нечувствительности»). При его кривой усиления G=1, (аналогичный параметр из теории систем регулирования – кривая усиления исполнительного устройства) погрешность расхода также составит 0,5%. Если клапан выбран неверно и его кривая усиления составляет G=3, то погрешность регулирующего клапана составит 1,5 %, т. е. в 3 раза больше. Добавляя сюда показатели качества самого клапана, такие как обратное противодавление, а при неправильном выборе клапана, высокий фактор нагрузки, трение и залипание, получим дополнительную составляющую погрешности расхода. В целом это приводит к низкому качеству регулирования в соответствии с формулой:

Где

∆Qε –потери расхода;

Gν –потери из-за неправильного коэффициента усиления;

∆hε – дополнительные потери, связанные с качеством клапана.

Суммирование влияния клапана на точность регулирования позволяет создать определенные критерии выбора клапана для различных контуров регулирования и процессов. Правильный выбор клапана в зависимости от условий протекания технологического процесса, позволяет создать оптимальные условия для регулирования.

В настоящее время подбор клапана по «метрологическим» характеристикам, т. е. характеристикам, отвечающим за качество регулирования, и максимально соответствующим требованиям процесса, получает все большее признание. Например, чтобы обеспечить точность регулирования, медленно протекающие процессы требуют, чтобы клапан имел как можно меньшую мертвую зону, но высокую точность позиционирования, тогда как быстро протекающие процессы, например, с частым изменением параметров процесса требуют клапанов с малым гистерезисом и высоким быстродействием. При быстрых процессах низкое время отклика является наиболее критичным для характеристики времени запаздывания и инерционности. Учитывая эти факторы, удается повысить точность регулирования.

Развитие клапанов в направлении точности регулирования позволило найти эффективные решения для критически важных контуров. На ТЭС ими могут быть признаны контуры, где отношение параметров на входе и на выходе превышает критическую величину для этого контура и приводит к недопустимым погрешностям. В частности, ими могут быть: контуры питательной воды, регулирования подачи воды в пароперегреватель, клапаны пароконденсатного тракта, РОУ и др.

С ростом возможностей клапана и теоретического осмысления процесса регулирования появились программы расчета процесса регулирования и регулирующих клапанов. Их «статичность», т. е. пользование параметрами, выбранными при проектировании клапана, устраняется большей адаптивностью расчета в применении к изменяющемуся технологическому процессу. К примеру, в перспективе программы расчета типа Nelprof будут встроены в «голову» клапана для большей адаптации к изменениям в процессе клапана и контура в целом. (Источник: Статья Горобченко С. Л., Сурикова В.Н., Тотухова Ю.А. «О необходимости технологической поверки клапанов», (журнал ТПА №6, 2010).

Таким образом, клапаны прошли большой путь в составе контуров регулирования, достигнув уровня, когда они способны брать на себя задачи, ранее выполнявшиеся системой автоматизации. Ведущей тенденцией развития клапанов в составе контуров регулирования можно считать вклад в повышение идеальности регулирования и точности контура в целом.

На основе проведенного выше анализа становится ясно, что основными критериями выбора клапанов для работы в системах автоматизации может быть соответствие клапана равнопроцентной расходной характеристике, как обеспечивающей максимальную линейность установленной характеристики в трубопроводе. Вторым важным критерием является уровень возмущений, которые привносит клапан в процесс и насколько увеличиваются при этом отклонения заданного командного сигнала с его выполнением. Ниже приводятся основные преимущества поворотной арматуры (шаровых, сегментных, эксцентриковых кранов и поворотных заслонок) по сравнению с арматурой возвратно-поступательного действия (далее линейные клапаны).

БЛОК-ВСТАВКА. ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ ПОВОРОТНОЙ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ ПО СРАВНЕНИЮ С АРМАТУРОЙ ЛИНЕЙНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ТИПА ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

Высокий коэффициент Cv (Кv)

Обычно поворотные клапаны имеют более высокую пропускную способность в терминах номинального размера по сравнению с линейными клапанами. Например, сегментные и шаровые краны обычно имеют коэффициент Cv в 3 раза больший, чем коэффициент Cv линейных клапанов (вентилей) равного размера. Следовательно, могут применяться поворотные клапаны меньшего размера, и даже трубопроводы меньшего размера. Так, если необходимый размер линейного клапана составляет 4 дюйма, то может использоваться сегментный клапан размером 3 или даже 1 дюйм. Разница возрастает при увеличении размеров клапанов.