Курс «Регулирующая арматура в системах автоматизации»

Станислав Львович Горобченко, 2020

Модуль курса "Регулирующая арматура в системах автоматизации" – "Регулирование технологических процессов в ЦБП и регулирующая арматура" по-своему является уникальным, поскольку дает общую картину развития арматуры в контурах регулирования технологических схем ЦБП. В модуле "Регулирование технологических процессов в ЦБП и регулирующая арматура" рассматривается развитие регулирующей арматуры в контурах регулирования в составе технологических схем целлюлозно-бумажного производства, преимущественно картоно-бумагоделательных машин. В основу обучения положены принципы проблемного обучения и кейсовые методы, дающие слушателям возможность обучения на конкретных примерах. Учебное пособие предназначено для слушателей дистанционного курса "Регулирующая арматура в системах автоматизации". "Трубопроводная арматура" системы дополнительного профессионального образования в арматурной отрасли.

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.

Ниже приведена предлагаемая классификация контуров регулирования по степени зависимости от критичности процесса, см. табл. 3.

Табл. 3. Классификация контуров по критичности технологического процесса

Предлагаемая концепция критических контуров регулирования стала выявляться совсем недавно на основе опыта и теоретического рассмотрения особенностей регулирования расхода. Так, предпосылкой появления такого рассмотрения стало понимание, что если передаточное отношение (коэффициент усиления) в контуре превышает 4, то простые регулирующие клапаны могут задавать значительную колебательность в технологический режим и отклонения в процессе регулирования.

Выявленные тенденции развития контуров регулирования в составе технологических схем приведены ниже:

В составе технологических схем:

— снижение потерь, потребления энергоресурсов и химикатов, разброса показателей и увеличение числа вложенных циркуляционных схем

— укрупнение узлов; повышение скорости и требований к стабильности выходных характеристик при большей колебательности входящих параметров.

— повышение непрерывности контроля и насыщение схем измерительными комплексами, повышение кратности обработки волокна

— увеличение «нестабильности» технологической схемы, поддержание технологического режима за счет постоянного подрегулирования

— снижение транспортного плеча — обработка в процессе транспортировки (пример: LobeMix)

— уменьшение компенсирующих и резервных элементов, например, емкостей хранения

— увеличение взаимосвязанных контуров, каскадов, непрерывной обработки материала (барабанные фильтры, сортировки, очистители и др.)

— необходимость оптимизационных пакетов.

В составе элемента технологического оборудования:

— увеличение требований технологических гарантий

— повышение степени эксплуатационной готовности

— динамическая адаптация

— минимизация аварий и безопасность при аварийных режимах

— снижение колебаний при переходных процессах

— требование увеличения срока безостановочной работы

— специализация контуров регулирования по типу обслуживаемого участка техпроцесса.

— увеличение числа контуров, их типов и объема информации и числа настроечных параметров, передаваемых на них.

— выделение измерительных контуров регулирования, критических и специализированных контуров регулирования

В составе измерительного комплекса:

— согласование характеристик клапана с измерительным прибором в составе контура регулирования

— выделение критических и специализированных контуров регулирования

— автоповерка на эффективность регулирования по заданным технологическим параметрам

— создание информационно-измерительных комплексов с развитием прогнозирующего математического обеспечения.

В составе элемента технологического процесса и клапанного хозяйства:

— усложнение клапанов и внедрение клапанных узлов, увеличение количества внутренних контуров самого клапана, например, диагностики, безопасности и др.

— повышение надежности клапанов и самодиагностика

— интеллектуализация клапанов

— интегрирование клапанов в систему DCS, повышение числа настроечных параметров, объема передаваемых данных

— переход на внешнее сервисное обслуживание.