Главная Способы заработка Типовые схемы автоматического регулирования технологических переменных (расхода, давления, температуры, уровня, концентрации и т.п.). Регулирование технологических параметров Регулирование с воздействием по возмущению

Типовые схемы автоматического регулирования технологических переменных (расхода, давления, температуры, уровня, концентрации и т.п.). Регулирование технологических параметров Регулирование с воздействием по возмущению

Необходимость регулирования расхода возникает при автоматизации практически любого непрерывного процесса.

АСР расхода, предназначенные для стабилизации возмущений по материальным потокам, являются неотъемлемой частью разомкнутых систем автоматизации технологических процессов. На рис.3.4 дана принципиальная схема объекта при регулировании расхода. Обычно таким объектом является участок трубопровода между точкой измерения расхода (например, местом установки сужающего устройства 1) и регулирующим органом 2. Длина этого участка определяется правилами установки сужающих устройств и регулирующих органов и составляет обычно несколько метров. Динамика канала “расход вещества через клапан – расход вещества через расходомер” приближенно описывается апериодическим звеном первого порядка с чистым запаздыванием. Время чистого запаздывания обычно составляет доли секунд для газа и несколько секунд – для жидкости; значение постоянной времени – несколько секунд.

Ввиду малой инерционности объекта регулирования особые требования предъявляются к выбору средств автоматизации и методов расчёта АСР. В частности, в промышленных установках инерционность цепей контроля и регулирования расхода становится соизмеримой с инерционностью объекта, и ее следует учитывать при расчете систем регулирования.

Рис. 3.4. Принципиальная схема объекта при регулировании расхода: 1-измеритель расхода; 2-регулирующий клапан.

Выбор законов регулирования диктуется обычным требуемым качеством переходных процессов. Для регулирования расхода без статической погрешности в одноконтурных АСР применяют ПИ-регуляторы. Если АСР расхода является внутренним контуром в каскадной системе регулирования, регулирование расхода может осуществляться П-законом регулирования. При наличии высокочастотных помех в сигнале расхода применение регуляторов с дифференциальными составляющими в законе регулирования без предварительного сглаживания сигнала может привести к неустойчивой работе системы. Поэтому в промышленных АСР расхода применение ПД- или ПИД-регуляторов не рекомендуется.

В системах регулирования расхода применяют один из трех способов изменения расхода:

дросселирование потока вещества через регулирующий орган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, заслонка);

изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии (например, изменением числа оборотов двигателя насоса или угла поворота лопастей вентилятора);

байпасирование, т.е. переброс избытка вещества из основного трубопровода в обводную линию.

Регулирование расхода после центробежного насоса осуществляется регулирующим клапаном, устанавливаемым на нагнетательном трубопроводе (рис. 3.5,а). Если для перекачивания жидкости используют поршневой насос, применение подобной АСР недопустимо, так как при работе регулятора клапан может закрыться полностью, что приведет к разрыву трубопровода (или к помпажу, если клапан установлен на оси насоса).

В этом случае для
Измерителем расхода при этом может служить взвешивающее устройство, которое определяет массу материала на ленте транспортера.

Рис. 3.6. Схемы регулирования расхода сыпучих веществ:

а - изменением степени открытия регулирующей заслонки;

б–изменением скорости движения транспортера; 1– бункер;

2 - транспортер; 3 – регулятор; 4 – регулирующая заслонка;

5 – электродвигатель

Регулирование соотношения расходов двух веществ можно осуществлять по одной из трех схем, описанных ниже.

1. При незаданной общей производительности расход одного вещества (рис.3.7,а) G1, называемый “ведущим”, может меняться произвольно; второе вещество подается при постоянном соотношении g с первым, так что “ведомый” расход равен gG1. Иногда вместо регулятора соотношения используют реле соотношения и обычный регулятор для одной переменной (рис.3.7,б). Выходной сигнал реле 6, устанавливающего заданный коэффициент соотношения g, подается в виде задания регулятору 5, обеспечивающему поддержание “ведомого ”расхода.

2. При заданном “ведущем” расходе кроме АСР соотношения применяют и АСР “ведущего” расхода (рис. 3.7,в). При такой схеме в случае изменения задания по расходу G1 автоматически изменится и расход G2 (в заданном соотношении с G1).

3. АСР соотношения расходов является внутренним контуром в каскадной системе регулирования третьего технологического параметра g (например, температуры в аппарате). При этом заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в зависимости от этого параметра, так что G2 = g(y) G1 (рис. 3.7,г).

Рис. 3.7 Схемы регулирования соотношения расходов:

а, б – при незаданной общей нагрузке; в – при заданной общей нагрузке; г – при заданной общей нагрузке и коррекции коэффициента соотношения по третьему параметру; 1,2 – измерители расхода;3- регулятор соотношения; 4,7 – регулирующие клапаны;

5 – регулятор расхода; 6 – реле соотношения; 8 – регулятор температуры; 9 – устройство ограничения

К основным технологическим параметрам, подлежащим контролю и регулированию в химико-технологических процессах, относят расход, уровень, давление, температуру, значение рН и показатели качества (концентрацию, плотность, вязкость и др.)* [Основы измерения этих параметров, автоматические приборы контроля и исполнительные устройства изучают в курсах «Технологические измерения и приборы» и «Технические средства автоматизации». Здесь рассмотрены особенности регулирования этих параметров с учетом статических и динамических характеристик каналов регулирования, приборов контроля и средств автоматизации и приведены примеры наиболее распространенных систем регулирования некоторых параметров.]. Регулирование расхода. Необходимость регулирования расхода возникает при автоматизации практически любого непрерывного процесса. АСР расхода, предназначенные для стабилизации возмущений по материальным потокам, являются неотъемлемой частью разомкнутых систем автоматизации технологических процессов. Часто АСР расхода используют как внутренние контуры в каскадных системах регулирования других параметров. Для обеспечения заданного состава смеси или для поддержания материального и теплового балансов в аппарате применяют системы регулирования соотношения расходов нескольких веществ в одноконтурных или каскадных АСР.

Системы регулирования расхода характеризуются двумя особенностями: малой инерционностью собственно объекта регулирования; наличием высокочастотных составляющих в сигнале изменения расхода, обусловленных пульсациями давления в трубопроводе (последние вызваны работой насосов или компрессоров или случайными колебаниями расхода при дросселировании потока через сужающее устройство).

На рис. 2.1 дана принципиальная схема объекта при регулировании расхода. Обычно таким объектом является участок трубопровода между точкой измерения расхода (например, местом установки сужающего устройства 1 ) и регулирующим органом2. Длина этого участка определяется правилами установки сужающих устройств и регулирующих органов и составляет обычно несколько метров. Динамика канала «расход вещества через клапан - расход вещества через расходомер» приближенно описывается апериодическим звеном первого порядка с чистым запаздыванием. Время чистого запаздывания обычно со-

Рис. 2.1. Принципиальная схема объекта при регулировании расхода: /-измеритель расхода; 2 - регулирующий клапан

ставляет доли секунд для газа и несколько секунд - для жидкости; значение постоянной времени - несколько секунд.

Ввиду малой инерционности объекта регулирования особые требования предъявляются к выбору средств автоматизации и методов расчета АСР. В частности, в промышленных установках инерционность цепей контроля и регулирования расхода становится соизмеримой с инерционностью объекта, и ее следует учитывать при расчете систем регулирования.

Приближенная оценка чистого запаздывания и постоянных времени отдельных элементов цепи показывает (рис. 2.2), что современные первичные преобразователи расхода, построенные на принципе динамической компенсации, можно рассматривать как усилительные звенья. Исполнительное устройство аппроксимируется апериодическим звеном первого порядка, постоянная времени которого составляет несколько секунд, причем быстродействие исполнительного устройства существенно повышается при использовании позиционеров. Импульсные линии, связывающие средства контроля и регулирования, аппроксимируются апериодическим звеном первого порядка с чистым запаздыванием, параметры которого определяются длиной линии и лежат в пределах нескольких секунд. При больших расстояниях между элементами цепи необходимо по длине импульсной линии устанавливать дополнительные усилители мощности.

Вследствие малой инерционности объекта рабочая частота может оказаться выше максимальной, ограничивающей область нормальной работы промышленного регулятора, в пределах которой реализуются стандартные законы регулирования. За пределами этой области динамические характеристики регуляторов отличаются от стандартных, вследствие чего требуется введение поправок на рабочие настройки с учетом фактических законов регулирования.

Рис. 2.2. Структурная схема системы регулирования расхода:

1 - объект;2 - первичный преобразователь расхода;3 - регулятор;4 - импульсные линии;5 - исполнительное устройство

Выбор законов регулирования диктуется обычно требуемым качеством переходных процессов. Для регулирования расхода без статической погрешности в одноконтурных АСР применяют ПИ-регуляторы. Если АСР расхода является внутренним контуром в каскадной системе регулирования, ре-

Рис. 2.3. Схемы регулирования расхода после центробежного (а) и поршневого (б ) насосов:

/ - измеритель расхода; 2 - регулирующий клапан;3- регулятор;4 - насос

гулятор расхода может осуществлять П-закон регулирования. При наличии высокочастотных помех в сигнале расхода применение регуляторов с дифференциальными составляющими в законе регулирования без предварительного сглаживания сигнала может привести к неустойчивой работе системы. Поэтому в промышленных АСР расхода применение ПД- или ПИД-регулято-ров не рекомендуется.

В системах регулирования расхода применяют один из трех способов изменения расхода:

байпасирование, т. е. переброс избытка вещества из основного трубопровода в обводную линию.

Регулирование расхода после центробежного насоса осуществляется регулирующим клапаном, устанавливаемым на нагнетательном трубопроводе (рис. 2.3, а ). Если для перекачивания жидкости используют поршневой насос, применение подобной АСР недопустимо, так как при работе регулятора клапан может закрыться полностью, что приведет к разрыву трубопровода (или к помпажу, если клапан установлен на всасе насоса). В этом случае для регулирования расхода используют байпасирование потока (рис. 2.3,б ).

Регулирование расхода сыпучих веществ осуществляется изменением степени открытия регулирующей заслонки на выходе из бункера (рис. 2.4, а ) или изменением скорости движения ленты транспортера (рис. 2.4,б ). Измерителем расхода при этом может служить взвешивающее устройство, которое определяет массу материала на ленте транспортера.

Регулирование соотношения расходов двух веществ можно осуществлять по одной из трех схем, описанных ниже.

1. При незаданной общей производительности расход одного вещества (рис. 2,5, a ) G 1 , называемый «ведущим», может меняться произвольно; второе вещество подается при постоянном соотношенииу с первым, так что «ведомый» расход равенyG 1 .

Рис. 2.4. Схемы регулирования расхода сыпучих веществ:

а - изменением степени открытия регулирующей заслонки; б - изменением скорости движения транспортера; / - бункер; 2 - транспортер;3 - регулятор;4 - регулирующая заслонка; 5 - электродвигатель

Иногда вместо регулятора соотношения используют реле соотношения и обычный регулятор для одной переменной (рис. 2.5,6). Выходной сигнал реле 6, устанавливающего заданный коэффициент соотношенияу, подается в виде задания регулятору 5, обеспечивающему поддержание «ведомого» расхода.

При заданном «ведущем» расходе кроме АСР соотношения применяют и АСР «ведущего» расхода (рис. 2.5,в). При такой схеме в случае изменения задания по расходу G \ автоматически изменится и расходG % (в заданном соотношении сGi ).

АСР соотношения расходов является внутренним контуром в каскадной системе регулирования третьего технологического параметра у (например, температуры в аппарате). При

Рис. 2.5. Схемы регулирования соотношения расходов:

а, б - при незаданной общей нагрузке;в - при заданной общей нагрузке;г - при заданной общей нагрузке и коррекции коэффициента соотношения по третьему параметру; ",2 - измерители расхода;3 - регулятор соотношения;4, 7 - регулирующие клапаны; 5 - регулятор расхода;6 - реле соотношения;8 - регулятор температуры;9 - устройство ограничения

этом заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в зависимости от этого параметра так что Gi = y { y ) G \ (рис. 2.5,г). Как отмечалось выше, особенность настройки каскадных АСР состоит в том, что на задание внутреннему регулятору устанавливают ограничение Хрн^Яр^Ярв. Для АСР соотношения расходов это соответствует ограничениюYh^y^Yb- Если выходной сигнал внешнего регулятора выходит за пределы [дг рн, х рв ], то задание регулятору соотношения остается на предельно допустимом значенииу (т. е.Yh или Yb)-Регулирование уровня. Уровень является косвенным показателем гидродинамического равновесия в аппарате. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального баланса, когда приток жидкости равен стоку, и скорость изменения уровня равна нулю. Следует отметить, что «приток» и «сток» здесь являются обобщенными понятиями. В простейшем случае, когда в аппарате не происходят фазовые превращения (сборники, промежуточные емкости, жидкофазные реакторы), приток равен расходу жидкости, подаваемой в аппарат, а сток - расходу жидкости, отводимой из аппарата. В более сложных процессах, сопровождающихся изменением фазового состояния веществ, уровень является характеристикой не только гидравлических, но и тепловых и массообменных процессов, а приток и сток учитывают фазовые превращения веществ. Такие процессы протекают в испарителях, конденсаторах, выпарных установках,ректификационных колоннах и т. п.

В общем случае изменение уровня описывается уравнением вида

(2.1)

где S- площадь горизонтального (свободного) сечения аппарата;G B x,

В зависимости от требуемой точности поддержания уровня применяют один из следующих двух способов регулирования:

Рис. 2.6. Пример схемы позиционного регулирования уровня:

/ - насос; 2 - аппарат; 3 - сигнализатор уровня;4 - регулятор уровня;5,6 - регулирующие клапаны

1) позиционное регулирование, при котором уровень в аппарате поддерживается в заданных, достаточно широких пределах: L „^ L ^. L B . Такие системы регулирования устанавливают на сборниках жидкости или промежуточных емкостях

Рис. 2.7. Схемы непрерывного регулирования уровня:

а - регулирование «на притоке»;б - регулирование «на стоке»;в - каскадная АСР; / - регулятор уровня;2 - регулирующий клапан;3, 4 - измерители расхода; 5 - регулятор соотношения

(рис. 2.6). При достижении предельного значения уровня происходит автоматическое переключение потока на запасную емкость;

2) непрерывное регулирование, при котором обеспечивается стабилизация уровня на заданном значении, т. е. L = L °.

Особенно высокие требования предъявляются к точности регулирования уровня в теплообменных аппаратах, в которых уровень жидкости существенно влияет на тепловые процессы. Например, в паровых теплообменниках уровень конденсата определяет фактическую поверхность теплообмена. В таких АСР для регулирования уровня без статической погрешности применяют ПИ-регуляторы. П-регуляторы используют лишь в тех случаях, когда не требуется высокое качество регулирования и возмущения в системе не имеют постоянной составляющей, которая может привести к накоплению статической погрешности.

При отсутствии фазовых превращений в аппарате уровень в нем регулируют одним из трех способов:

изменением расхода жидкости на входе в аппарат (регулирование «на притоке», рис. 2.7, а) ;

изменением расхода жидкости на выходе из аппарата (регулирование «на стоке», рис. 2.7,6);

регулированием соотношения расходов жидкости на входе в аппарат и выходе из него с коррекцией по уровню (каскадная АСР, рис. 2.7,в); отключение корректирующего контура может привести к накоплению ошибки при регулировании уровня, так как вследствие неизбежных погрешностей в настройке регулятора соотношения расходы жидкости на входе и выходе аппарата не будут точно равны друг другу и вследствие интегрирующих свойств объекта [см. уравнение (2.1)] уровень в аппарате будет непрерывно нарастать (или убывать).

В случае, когда гидродинамические процессы в аппарате сопровождаются фазовыми превращениями, можно регулировать уровень изменением подачи теплоносителя (или хладоагента), как это показано на рис. 2.8. В таких аппаратах уровень взаимосвязан с другими параметрами (например, давлением), поэтому выбор способа регулирования уровня в каждом конкрет-

Рис. 2.8. Схема регулирования уровня в испарителе:

1 - испаритель;2 - регулятор уровня;3 - регулирующий клапан

Рис. 2.9. Регулирование уровня кипящего слоя:

а - отводом зернистого материала; б - изменением расхода газа;1 - аппарат с кипящим слоем; 2 - регулятор уровня;3 - регулирующий орган

ном случае должен выполняться с учетом остальных контуров регулирования.

Особое место в системах регулирования уровня занимают АСР уровня в аппаратах с кипящим (псевдоожиженным) слоем зернистого материала. Устойчивое поддержание уровня кипящего слоя возможно в достаточно узких пределах соотношения расхода газа и массы слоя. При значительных колебаниях расхода газа (или расхода зернистого материала) наступает режим уноса слоя или его оседания. Поэтому к точности регулирования уровня кипящего слоя предъявляют особенно высокие требования. В качестве регулирующих воздействий используют расход зернистого материала на входе или выходе аппарата (рис. 2.9, а) или расход газа на ожижение слоя (рис. 2.9, б ).\

Регулирование давления. Давление является показателем соотношения расходов газовой фазы на входе в аппарат и выходе из него. Постоянство давления свидетельствует о соблюдении материального баланса по газовой фазе. Обычно давление (или разрежение) в технологической установке стабилизируют в каком-либо одном аппарате, а по всей системе оно устанавливается в соответствии с гидравлическим сопротивлением линии и аппаратов. Например, в многокорпусной выпарной установке (рис. 2.10) стабилизируют разрежение в последнем выпарном аппарате. В остальных аппаратах при отсутствии возмущений устанавливается разрежение, которое определяется из условий материального и теплового балансов с учетом гидравлического сопротивления технологической линии.

В тех случаях, когда давление существенно влияет на кинетику процесса, предусматривается система стабилизации давления в отдельных аппаратах. Примером может служить процесс ректификации, для которого кривая фазового равновесия существенно зависит от давления. Кроме того, при регулировании процесса бинарной ректификации часто в качестве косвенного

показателя состава смеси используют ее температуру кипения, которая однозначно связана с составом лишь при постоянном давлении. Поэтому в продуктовых ректификационных колоннах обычно предусматривают специальные системы стабилизации давления (рис. 2.11).

Уравнение материального баланса аппарата по газовой фазе записывается в виде:

где V - объем аппарата; 0 В х и (Звых - расход газа соответственно подаваемого в аппарат и отводимого из него;G 0 e- масса газа, образующегося (или расходуемого)" в аппарате в единицу времени.

Как видно из сравнения уравнений (2.1) и (2.2), способы регулирования давления аналогичны способам регулирования уровня. В рассмотренных выше примерах АСР давления регулирующими воздействиями выбраны расход несконденсировав-шихся газов, отводимых из верхней части колонны (т. е. G Bb ix, рис. 2.11) и расход охлаждающей воды в барометрический конденсатор, который влияет на скорость конденсации вторичного пара (т. е. наG 0 6, рис. 2.10).

Особое место среди АСР давления занимают системы регулирования перепада давления в аппарате, характеризующего гидродинамический режим, который существенно влияет на протекание процесса. Примерами таких аппаратов могут служить насадочные колонны (рис. 2.12,а),аппараты с кипящим слоем (рис. 2.12,6) и др.

Регулирование температуры. Температура является показателем термодинамического состояния системы и используется как вы-

Рис. 2.10. Регулирование разрежения в многокорпусной выпарной установке:

1,2 - выпарные аппараты;3 - барометрический конденсатор;4 - регулятор разрежения;5 - регулирующий клапан

Рис. 2.11. АСР давления в ректификационной колонне:

/ - колонна; 2 - дефлегматор;3 - флегмовая емкость;4 - регулятор давления; 5 - регулирующий клапан

Рис. 2.12. Схема регулирования перепада давления: а - в колонном аппарате с насадкой; б - в аппарате с кипящим слоем; / - аппарат;2 - регулятор перепада давления;3 - регулирующий клапан

ходная координата при регулировании тепловых процессов. Динамические характеристики объектов в системах регулирования температуры зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата. Поэтому общие рекомендации по выбору АСР температуры сформулировать невозможно, и требуется анализ каждого конкретного процесса.

К общим особенностям АСР температуры можно отнести значительную инерционность тепловых процессов и промышленных датчиков температуры. Поэтому одна из основных задач при проектировании АСР температуры - уменьшение инерционности датчиков.

Рассмотрим, например, динамические характеристики термометра взащитном чехле (рис. 2.13, а). Структурную схему термометра можно представить как последовательное соединение четырех тепловых емкостей (рис. 2.13,6): защитного чехла 1, воздушной прослойки2, стенки термометра3 и собственно рабочей жидкости4. Если пренебречь тепловым сопротивлением каждого слоя, то все элементы можно аппроксимировать апериодическими звеньями 1-го порядка, уравнения которых имеют вид:

М/ - масса соответственно чехла, воздушной прослойки, стенки и жидкости;c P j - удельные теплоемкости; ал,а.ц - коэффициенты теплоотдачи; ^л.Гц - поверхности теплоотдачи.

Как видно из уравнений (2.3), основными направлениями уменьшения инерционности датчиков температуры являются:

повышение коэффициентов теплоотдачи от среды к чехлу в результате правильного выбора места установки датчика; при этом скорость движения среды должна быть максимальной; при прочих равных условиях более прдпочтительна установка термометров в жидкой фазе (по сравнению с газообразной), в конденсирующемся паре (по сравнению с конденсатом) и т. п.;

уменьшение теплового сопротивления и тепловой емкости защитного чехла в результате выбора его материала и толщины;

уменьшение постоянной времени воздушной прослойки за счет применения наполнителей (жидкость, металлическая стружка); у термоэлектрических преобразователей (термопар) рабочий спай припаивается к защитному чехлу;

выбор типа первичного преобразователя; например, при выборе термометра сопротивления, термопары или манометрического термометра необходимо учитывать, что наименьшей инерционностью обладает термопара в малоинерционном исполнении, наибольшей - манометрический термометр. Регулирование рН. Системы регулирования рН можно подразделить на два типа, в зависимости от требуемой точности регулирования. Если скорость изменения рН невелика, а допустимые пределы ее колебаний достаточно широки, применяют позиционные системы регулирования, поддерживающие рН в заданных пределах: pH H sgpH

Общей особенностью объектов при регулировании рН является нелинейность их статических характеристик, связанная с нелинейной зависимостью рН от расходов реагентов . На рис. 2.14 показана кривая титрования, характеризующая за-

Рис. 2.13. Принципиальная (а) и структурная (б) схемы термометра:1 - защитный чехол;2 - воздушная прослойка; 3 -стенка термометра;4 - рабочая жидкость

Рис. 2.14. Зависимость величины рН от расхода реагента

висимость рН от расхода кислоты G \. Для различных заданных значений рН на этой кривой можно выделить три характерных участка: первый (средний), относящийся к почти нейтральным средам, близок к линейному и характеризуется очень большим коэффициентом усиления; второй и третий участки, относящиеся к сильно щелочным или кислым средам, обладают наибольшей кривизной.

На первом участке объект по своей статической характеристике приближается к релейному элементу. Практически это означает, что при расчете линейной АСР коэффициент усиления регулятора настолько мал, что выходит за пределы рабочих настроек промышленных регуляторов. Так как собственно реакция нейтрализации проходит практически мгновенно, динамические характеристики аппаратов определяются процессом смешения и в аппаратах с перемешивающими устройствами достаточно точно описываются дифференциальными уравнениями 1-го порядка с запаздыванием. При этом чем меньше постоянная времени аппарата, тем сложнее обеспечить устойчивое регулирование процесса, так как начинают сказываться инерционность приборов и регулятора и запаздывание в импульсных линиях.

Для обеспечения устойчивого регулирования рН применяют специальные системы. На рис. 2.15, а показан пример системы регулирования рН с двумя регулирующими клапанами. Клапан1, обладающий большим условным диаметром, служит для грубого регулирования расхода и настроен на максимальный диапазон изменения выходного сигнала регулятора[х рн , х рв ] (рис. 2.15,6, кривая /). Клапан2, служащий для точного регулирования, рассчитан на меньшую пропускную способность и настроен таким образом, что прих р =х р °+<А он полностью открыт, а приx p = x v ° -А - полностью закрыт (кривая 2). Таким

Рис. 2.15. Пример системы регулирования рН:

а - функциональная схема; б - статические характеристики клапанов;1, 2 - регулирующий клапан;3 - регулятор рН

Рис. 2.16. Кусочно-линейная аппроксимация статической характеристики объекта при регулировании рН.

Рис. 2.17. Структурная схема системы регулирования рН с двумя регуляторами

образом, при незначительном отклонении рН от рН°, когда Хр° -Л^АГр^лгр 0 +)А, степень открытия клапана / практически не изменяется, и регулирование ведется клапаном2. Если\х р -х р °| >Л, клапан2 остается в крайнем положении, и регулирование осуществляется клапаном /.

На втором и третьем участках статической характеристики (рис. 2.14) ее линейная аппроксимация справедлива лишь в очень узком диапазоне изменения рН, и в реальных условиях ошибка регулирования за счет линеаризации может оказаться недопустимо большой. В этом случае более точные результаты дает кусочно-линейна» аппроксимация (рис. 2.16), при которой линеаризованный объект имеет переменный коэффициент усиления:

Да рис. 2.17 приведена структурная схема такой АСР. В зависимости от рассогласования ЛрН, включается в работу один из регуляторов, настроенный на соответствующий коэффициент усиления объекта.

Регулирование параметров состава и качества. В процессах химической технологии большую роль играет точное поддержание качественных параметров продуктов (состава газовой смеси, концентрации того или иного вещества в потоке и т. п.). Эти параметры характеризуются сложностью измерения. В ряде случаев для измерения состава используют хроматографический метод. При этом результат измерения бывает известен в дискретные моменты времени, отстоящие друг от друга на продолжительность цикла работы хроматографа. Аналогичная ситуация возникает и тогда, когда единственным способом измерения качества продукции является в той или иной степени механизированный анализ проб.

Рис. 2.18. Блок-схема АСР параметра качества продукта:

1 - объект;2 - анализатор качества;3 - вычислительное устройство;4 - регулятор

Дискретность измерения может привести к значительным дополнительным запаздываниям и снижению динамической точности регулирования. Чтобы уменьшить нежелательное влияние задержки измерения, используют модель связи качества продукта с переменными, которые измеряют непрерывно. Эта модель может быть достаточно простой; коэффициенты модели уточняют, сравнивая рассчитанное по ней и найденное в результате очередного анализа значение качественного параметра (алгоритмы такого уточнения изложены в разд. 5.8). Таким образом, одним из рациональных способов регулирования качества является регулирование по косвенному вычисляемому показателю с уточнением алгоритма его расчета по данным прямых анализов. В промежутках между измерениями показатель качества продукта может быть рассчитан экстраполяцией ранее измеренных значений.

Блок-схема системы регулирования параметра качества продукта показана на рис. 2.18. Вычислительное устройство в общем случае непрерывно рассчитывает оценку показателя качества x (t ) по формуле

в которой первое слагаемое отражает зависимость х от непрерывно измеряемых переменных процесса или величин, динамически с ними связанных, например производных, а второе - от выхода экстраполирующего фильтра.

Для повышения точности регулирования состава и качества применяют приборы с устройством автоматической калибровки. В этом случае система управления производит периодическую калибровку анализаторов состава, корректируя их характеристики.

Несмотря не огромное разнообразие технологических процессов химической промышленности, все они состоят из отдельных технологических операций, каждую из которых можно, как сказано выше, отнести к одной из следующих групп типовых процессов: механические, гидродинамические, тепловые, массообменные, химические (реакторные), термодинамические. В основе процессов каждой группы лежат общие физико-химические закономерности, что предопределяет значительное сходство их свойств как объектов автоматизаци.

Благодаря этому оказывается возможной разработка типовых схем автоматизации для объектов каждой группы. Однако, одного технологического признака недостаточно для типизации объектов автоматизации, т.к. процессы одной группы могут иметь различное аппаратурное оформление (например, сушка в барабанной сушилке или в сушилке с кипящим слоем) и, как объекты автоматизации, существенно различаться по своим свойствам. Следовательно, только сочетание двух признаков - типа технологического процесса и типа аппарата, в котором этот процесс осуществляется, полностью определяет типовой объект автоматического регулирования в химическом производстве.

Для каждого типового объекта можно разработать один или несколько вариантов систем автоматизации.

АСР расхода . Чаще всего возникает задача регулирования расхода газа, жидкости или пара, транспортируемого по трубопроводу. Регулирование расхода в такой системе производится путем дросселирования потока, которое зависит от степени открытия регулирующего клапана (см. рисунок 7.2):

Рисунок 7.2 - Простейшая АСР расхода

Объектом регулирования фактически является участок трубопровода между датчиком расхода и регулирующим клапаном, который можно считать безынерционным усилительным звеном. Следовательно, динамическая характеристика заданной части АСР определяется только динамическими свойствами датчика расхода и регулирующего органа. Для поддержания заданной величины расхода без остаточного отклонения в АСР расхода обычно применяются ПИ-регуляторы.

В системах регулирования расхода применяют один из трех способов изменения расхода:

- дросселирование потока вещества через регулирующий орган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, заслонка);

Изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии (например, изменением числа оборотов двигателя насоса или угла поворота лопастей вентилятора);

- байпасирование , т е. перерос избытка вещества из основного трубопровода в обводную линию.

Регулирование расхода после центробежного насоса осуществляется регулирующим клапаном, устанавливаемым на нагнетательном трубопроводе (рисунок 7.3, а). При использовании поршневого насоса, применение подобной АСР недопустимо, так как при работе регулятора клапан может закрыться полностью, что приведет к разрыву трубопровода (или к помпажу, если клапан установлен на всасе насоса). В этом случае для регулирования расхода используют байпасирование потока (Рисунок 7.3, б).

1 - измеритель расхода; 2 - регулирующий клапан; 3 - регулятор; 4 - насос.

Рисунок 7.3 - Схемы регулирования расхода после центробежного (а) и поршневого (б) насосов.

Регулирование расхода методом дросселирования потока в байпасном трубопроводе. При использовании поршневых насосов регулирующие органы нельзя устанавливать на напорном трубопроводе, т.к. изменение степени открытия такого органа приводит лишь к изменению давления в нагнетательной линии, расход же остается постоянным. Полное закрытие регулирующего органа может привести к поломке насоса. В таком случае регулирующий орган устанавливается на байпасной линии, соединяющей всасывающий и нагнетательный трубопроводы (рисунок 7.3, 6).

Недостатком данного способа регулирования является низкая экономичность. Более экономичным является метод регулирования изменением показателей работы насоса: числа оборотов вала, хода поршня, угла наклона лопастей.

Число оборотов вала можно изменить:

1. Переключением обмотки статора на различное число пар полюсов,

2. Введением реостата в цепь ротора двигателя,

3. Изменением частоты питающего тока,

4. Применяя регулируемые муфты скольжения между насосом и асинхронным двигателем.

Регулирование расхода сыпучих веществ осуществляется изменением степени открытия регулирующей заслонки на выходе из бункера (рис 7.4, а), либо изменением скорости движения ленты транспортера. Измерителем расхода при таком варианте служит взвешивающее устройство, которое определяет массу материала на ленте транспортера (рис 7.4, б).

1 - бункер. 2 - транспортер; 3 - регулятор; 4 - регулирующая заслонка; 5 - электродвигатель

Рисунок 7.4. Схемы регулирования расходов сыпучих веществ:

Регулирование соотношения расходов двух веществ можно осуществлять тремя спосо-бами:

При незаданной общей производительности расход одного вещества (рисунок 7.5, а) G1, называемый «ведущим», может меняться произвольно; второе вещество подается при постоянном соотношении γ с первым, так что «ведомый» расход равен JG1. Иногда вместо регулятора соотношения используют реле соотношения и обычный регулятор для одной переменной (рисунок 7.5, б). Выходной сигнал реле 6, устанавливающего задан-ный коэффициент соотношения γ, подается в виде задания регулятору 5, обеспечиваю-щему поддержание «ведомого» расхода.

При заданном «ведущем» расходе кроме АСР соотношения применяют и АСР «веду-щего» расхода (рисунок 7.5, в). При такой схеме в случае изменения задания по расходу G1 автоматически изменится и расход G2 (в заданном соотношении с G1).

При заданной общей нагрузке и коррекции коэффициента по третьему параметру. АСР соотношения расходов является внутренним контуром в каскадной системе регулиро-вания третьего технологического параметра (например, температуры в аппарате). При этом заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в за-висимости от этого параметра, так что G2 = JfyJG1 (рисунок 7.5, г). Особенность настройки каскадных АСР состоит в том, что на задание внутреннему регулятору устанавливают ограничение хрн < хр < хрв. Для АСР соотношения расходов это соответствует ограниче-нию ун < γ < ув. Если выходной сигнал внешнего регулятора выходит за пределы [хрн,хрв], то задание регулятору соотношения остается на предельно допустимом значе-нии γ (т. е. Ji1 или J6).

1, 2 - измерители расхода, 3 - регулятор соотношения, 4, 7 - регулирующие клапаны; 5 - регулятор расхода, 6 - реле соотношения, 8 - регулятор температуры, 9 - устройство ограничения.

Рисунок 7.5. Схемы регулирования соотношения расходов.

Смешение жидкостей. При разработке типового решения под объектом управления будем понимать емкость с механической мешалкой, в которой смешиваются две жидкости. Цель управления - получение жидкости (смеси) с определенной концентрацией какого-либо компонента. Расходы жидкостей А и Б и их концентрации могут изменяться при нарушении технологического режима предыдущих процессов. Расход смеси определяется последующим технологическим процессом.

Требуется при проведении процесса смешения:

1. Поддерживать материальный баланс смесителя,т.е. F А + F Б = F смеси.

2. Поддерживать постоянной концентрацию смеси, т.е Q смеси = const.

Для поддержания материального баланса следует в качестве регулируемой величины выбрать уровень смеси в баке. Постоянство уровня достигается изменением расхода F Б. Постоянство концентрации Q смеси может быть при этом обеспечено изменением расхода F А (рисунок 7.6)

Рисунок 7.6 - Пример АСР уровня

Если расход жидкости Б сильно изменяется при регулировании уровня, для улучшения качества регулирования концентрации следует использовать регулятор соотношения расходов жидкостей с коррекцией по концентрации. Этот регулятор способствует уменьшению возмущений по концентрации, поступающих при первоначальном изменении расхода жидкости. При поступлении других возмущающих воздействий, например, с изменением концентрации компонентов в жидкостях, изменится задание соотношения расходов (рисунок 7.7).

Рисунок 7.7 - Пример АСР соотношения уровней

Регулирование процесса перемешивания в трубопроводе. Если процесс перемешивания производится непосредственно в трубопроводе, то отпадает необходимость в узле стабилизации уровня, достаточно установить регулятор концентрации компонента в смеси или регулятор соотношения расходов (с коррекцией или без коррекции, рисунок 7.8).

Рисунок 7.8 - Регулирование процесса перемешивания в трубопроводе

АСР уровня . Уровень является косвенным показателем гидродинамического равновесия в аппарате. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального баланса, когда приток жидкости равен стоку, и скорость изменения уровня равна нулю.

В общем случае изменение уровня описывается уравнением вида:

где S - площадь горизонтального (свободного) сечения аппарата; G ex , G eыx - расходы жидкости на входе в аппарат и выходе из него; G o6 - количество жидкости, образующейся (или расходуемой) в аппарате в единицу времени. В зависимости от требуемой точности поддержания уровня применяют один из следующих двух способов регулирования:

Позиционное регулирование, при котором уровень в аппарате поддерживается в заданных, достаточно широких пределах: Lfs < L < L^ Такие системы регулирования устанавливают на сборниках жидкости или промежуточных емкостях (рисунок 7.9). При достижении предельного значения уровня происходит автоматическое переключение потока на запасную емкость;

Непрерывное регулирование, при котором обеспечивается стабилизация уровня на заданном значении, т. е. L = L .

1 - насос; 2 - аппарат; 3 - сигнализатор уровня; 4 - регулятор уровня; 5,6 - регулирующие клапаны.

Рисунок 7.9 - Схема позиционного регулирования уровня

Особенно высокие требования предъявляются к точности регулирования уровня в теплообменных аппаратах, в которых уровень жидкости существенно влияет на тепловые процессы. Например, в паровых теплообменниках уровень конденсата определяет фактическую поверхность теплообмена. В таких АСР для регулирования уровня без статической погрешности применяют ПИ-регуляторы . П-регуляторы используют лишь в тех случаях, когда не требуется высокое качество регулирования и возмущения в системе не имеют постоянной составляющей, которая может привести к накоплению статической погрешности.

При отсутствии фазовых превращений в аппарате уровень в нем регулируют одним из трех способов:

Изменением расхода жидкости на входе в аппарат (регулирование «на притоке», рисунок 7.10, а);

Изменением расхода жидкости на выходе из аппарата (регулирование «на стоке», рисунок 7.10, б);

Регулированием соотношения расходов жидкости на входе в аппарат и выходе из него с коррекцией по уровню (каскадная АСР, Рисунок 7.10, в); отключение корректирующего контура может привести к накоплению ошибки при регулировании уровня, так как вследствие неизбежных погрешностей в настройке регулятора соотношения расходы жидкости на входе и выходе аппарата не будут точно равны друг другу, и вследствие интегрирующих свойств объекта, уровень в аппарате будет непрерывно нарастать (или убывать).

а - регулирование «на притоке»; б - регулирование «на стоке», в - каскадная АСР (1 - регулятор уровня, 2 - регули-рующий клапан, 3, 4 - измерители расхода, 5 - регулятор соотношения).

Рисунок 7.10 - Схемы непрерывного регулирования уровня:

1 - испаритель; 2 - регулятор уров-ня, 3 - регулирующий клапан

Рисунок 7.11 - Схема регулирова-ния уровня в испарителе

В случае, когда гидродинамические процессы в аппарате сопровождаются фазовыми превращениями, можно регулировать уровень изменением подачи теплоносителя (или хладагента). В таких аппаратах уровень взаимосвязан с другими параметрами (например, давлением), поэтому выбор способа регулирования уровня в каждом конкретном случае должен выполняться с учетом остальных контуров регулирования. Особое место в системах регулирования уровня занимают АСР уровня в аппаратах с кипящим (псевдосжиженным) слоем зернистого материала (рисунок 7.12).

Устойчивое поддержание уровня кипящего слоя возможно в достаточно узких пределах соотношения расхода газа и массы слоя. При значительных колебаниях расхода газа (или расхода зернистого материала) наступает режим уноса слоя или его оседания. Поэтому к точности регулирования уровня кипящего слоя предъявляют особо высокие требования. В качестве регулирующих воздействий используют расход зернистого материала на входе или выходе аппарата (рисунок 7.12, а) или расход газа на ожижение слоя (рисунок 7.12, б).

а - отводом зернистого материала, 6 - изменением расхода газа (1 - аппарат с кипящим слоем, 2 - регулятор уровня, 3 - регулирующий орган).

Рисунок 7.12 - Регулирование уровня кипящего слоя:

АСР давления. Давление является показателем соотношения расходов газовой фазы на входе в аппарат и выходе из него. Постоянство давления свидетельствует о соблюдении материального балан-са по газовой фазе. Обычно давление (или разрежение) в технологической установке стабили-зируют в каком-либо одном аппарате, а по всей системе оно устанавливается в соответствии с гидравлическим сопротивлением линии и аппаратов. Например, в многокорпусной выпарной установке (см. рисунок 7.13, а) стабилизируют разрежение в последнем выпарном аппарате. В ос-тальных аппаратах при отсутствии возмущений устанавливается разрежение, которое опреде-ляется из условий материального и теплового балансов с учетом гидравлического сопротив-ления технологической линии.

В тех случаях, когда давление существенно влияет на кинетику процесса (например, в процессе ректификации), предусматривается система стабилизации давления в отдельных ап-паратах (рисунок 7.13, б). Кроме того, при регулировании процесса бинарной ректификации часто в качестве косвенного показателя состава смеси используют ее температуру кипения, которая однозначно связана с составом лишь при постоянном давлении. Поэтому в продуктовых рек-тификационных колоннах обычно предусматривают специальные системы стабилизации дав-ления.

1 ,2 - выпарные аппараты; 3 - барометрический конденсатор; 4 - регулятор разрежения;

5 - регулирующий клапан.

Рисунок 7.13а - Регулирование разряжения в многокорпусной выпарной установке

1 - колонна; 2 - дефлегматор; 3 - флегмовая ёмкость; 4 - регулятор давления;

5 - регулирующий клапан

Рисунок 7.13Б - АСР давления в ректификационной колонне

Регулирование разряже-ния в многокорпусной выпарной установке. В данной систе-ме регулирующим воздействием является расход охлаждающей воды в барометрический конден-сатор, который влияет на ско-рость конденсации вторичного пара.

Регулирования перепада давления. В таких аппаратах ре-гулируется перепад давления, характеризующий гидродинамический режим, который влияет на протекание процесса (рисунок 7.14).

а - в колонном аппарате с насадкой; б - в аппарате с кипящем слоем (1 - аппарат; 2 - регулятор перепада давления; 3 - регулирующий клапан).

Рисунок 7.14 - Схема регулирования перепада давления

В целом АСР давления жидкости, газа или пара, транспортируемого по трубопроводу имеет много общего с АСР расхода, т.к. объекты регулирования обладают одинаковыми свойствами. Иногда для регулирования давления в трубопроводах пара или сжатого воздуха применяют П-регуляторы прямого действия.

При отсутствии резких и значительных по амплитуде возмущений они обеспечивают хорошее качество регулирования благодаря минимальной инерционности контура регулирования.

АСР Регулирование температуры. Температура является показателем термодинамического состояния системы и исполь-зуется как выходная координата при регулировании тепловых процессов. Динамические ха-рактеристики объектов в системах регулирования температуры зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата. Поэтому общие рекомендации по выбору АСР температуры сформулировать невозможно, и требуется анализ каждого конкретного процесса.

К общим особенностям АСР температуры можно отнести значительную инерционность тепловых процессов и промышленных датчиков температуры. Поэтому одна из основных за-дач при проектировании АСР температуры - уменьшение инерционности датчиков.

Рассмотрим, например, динамические характеристики термометра в защитном чехле (рисунок 7.15).

1 - защитный чехол; 2 - воздушная прослойка; 3 - стенка термометра; 4 - рабочая жидкость.

Рисунок 7.15. Принципиальная (а) и структурная (б) схемы термометра

Структурную схему термометра можно представить как последовательное соединение четы-рех тепловых емкостей (рисунок 7.15, б): защитного чехла 1, воздушной прослойки 2, стенки тер-мометра 3 и собственно рабочей жидкости 4. Если пренебречь тепловым сопротивлением ка-ждого слоя, то все элементы можно аппроксимировать апериодическими звеньями 1-го поряд-ка, уравнения которых имеют вид:

M j - масса соответственно чехла, воздушной прослойки, стенки и жидкости; c pj - удельные теплоемкости; α j1 , α j2 - коэффициенты теплоотдачи; Fj1, Fj2 - поверхности теплоотдачи.

Как видно из последнего уравнений, основными направлениями уменьшения инерционности датчиков температуры являются:

Повышение коэффициентов теплоотдачи от среды к чехлу в результате правильного выбора места установки датчика; при этом скорость движения среды должна быть максимальной; при прочих равных условиях более предпочтительна установка термометров в жидкой фазе (по сравнению с газообразной), в конденсирующемся паре (по сравнению с конденсатом) и т. п.;

Уменьшение теплового сопротивления и тепловой емкости защитного чехла в результате выбора его материала и толщины;

Уменьшение постоянной времени воздушной прослойки за счет применения наполнителей (жидкость, металлическая стружка); у термоэлектрических преобразователей (термопар) рабочий спай припаивается к защитному чехлу;

Выбор типа первичного преобразователя; например, при выборе термометра сопротивления, термопары или манометрического термометра необходимо учитывать, что наименьшей инерционностью обладает термопара в малоинерционном исполнении, наибольшей - манометрический термометр.

АСР числа рН . Системы регулирования рН можно подразделить на два типа, в зависимости от требуемой точности регулирования. Если скорость изменения рН невелика, а допустимые пределы ее колебаний достаточно широки, применяют позиционные системы регулирования, поддерживающие рН в заданных пределах: рНн ≤ рН ≤ рНв. Ко второму типу относятся системы, обеспечивающие регулирование процессов, в которых требуется точное поддержание pH на заданном значении (например, в процессах нейтрализации). Для их регулирования используют непрерывные ПИ- или ПИД-регуляторы.

Общей особенностью объектов при регулировании рН является нелинейность их статических характеристик, связанная с нелинейной зависимостью рН от расходов реагентов. на рисунке 7.16 показана кривая титрования, характеризующая зависимость рН от расхода кислоты G 1 . Для различных заданных значений рН на этой кривой можно выделить три характерных участка: первый (средний), относящийся к почти нейтральным средам, близок к линейному и характеризуется очень большим коэффициентом усиления; второй и третий участки, относящиеся к сильно щелочным или кислым средам, обладают наибольшей кривизной.

На первом участке объект по своей статической характеристике приближается к релейному элементу. Практически это означает, что при расчете линейной АСР коэффициент усиления регулятора настолько мал, что выходит за пределы рабочих настроек промышленных регуляторов. Так как собственно реакция нейтрализации проходит практически мгновенно, динамические характеристики аппаратов определяются процессом смешения и в аппаратах с перемешивающими устройствами достаточно точно описываются дифференциальными уравнениями 1-го порядка с запаздыванием. При этом, чем меньше постоянная времени аппарата, тем сложнее обеспечить устойчивое регулирование процесса, так как начинают сказываться инерционность приборов и регулятора и запаздывание в импульсных линиях.

Рисунок 7.16 - Зависимость величины рН от расхода реагента

Для обеспечения устойчивого регулирования рН применяют специальные системы. на рисунке 7.17, а показан пример системы регулирования рН с двумя регулирующими клапанами.

а - функциональная схема; б - статические характеристики клапанов (1, 2 - регулирующий клапан3 - регулятор рН).

Рисунок 7.17 - Пример системы регулирования рН

Клапан 1, обладающий большим условным диаметром, служит для грубого регулирования расхода и настроен на максимальный диапазон изменения выходного сигнала регулятора [х рн,х рв ] (Рисунок 7.17, б, кривая 1). Клапан 2, служащий для точного регулирования, рассчитан на меньшую пропускную способность и настроен таким образом, что при х р = х 0 р + Δ он полностью открыт, а при х р = х 0 р - Δ - полностью закрыт (кривая 2). Таким образом, при незначительном отклонении рН от рН 0 , когда х 0 р - Δ < х р < х 0 р + Δ, степень открытия клапана 1 практически не изменяется, и регулирование ведется клапаном 2. Если |х р - х 0 р |, клапан 2 остается в крайнем положении, и регулирование осуществляется клапаном 1.

На втором и третьем участках статической характеристики (Рисунок 3.12, б) ее линейная аппроксимация справедлива лишь в очень узком диапазоне изменения рН, и в реальных условиях ошибка регулирования за счет линеаризации может оказаться недопустимо большой. В этом случае более точные результаты дает кусочно-линейная аппроксимация (рисунок 7.18), при которой линеаризованный объект имеет переменный коэффициент усиления.

Рисунок 7.18 - Кусочно-линейная аппроксимация статической характеристики объекта при регулировании рН

На рисунке 7.19 приведена структурная схема такой АСР. В зависимости от рассогласования рН, включается в работу один из регуляторов, настроенный на соответствующий коэффициент усиления объекта.

Рисунок 7.19 - Структурная схема системы регулирования рН с двумя регуляторами.

АСР параметров состава и качества. В процессах химической технологии большую роль играет точное поддержание качественных параметров продуктов (концентрация определенного вещества в потоке и т.п.). Эти параметры сложно измерить. В некоторых случаях для измерения состава используют хроматографы, которые выдают результаты измерения в дискретные моменты времени (по продолжительности цикла работы хроматографа).

Таким образом, одним из рациональных способов регулирования качества является регулирование по косвенному вычисляемому показателю с уточнением алгоритма его расчета поданным прямых анализов. В промежутках между измерениями показатель качества продукта может быть рассчитан экстраполяцией ранее измеренных значений. Блок-схема системы регулирования параметра качества продукта показана на рисунке 7.20. Вычислительное устройство в общем случае непрерывно рассчитывает оценку показателя качества ~ (t) по формуле:

в которой первое слагаемое отражает зависимость от непрерывно измеряемых переменных процесса или величин, динамически с ними связанных, например производных, а второе - от выхода экстраполирующего фильтра.

1 - объект; 2 -анализатор качества; 3 - вычислительное устройство; 4 - регулятор

Рисунок 7.20 -. Блок-схема АСР параметра качества продукта:

В качестве примера рассмотрим процесс принятия решений при автоматизации одного из распространенных типовых процессов.

Автоматизация процесса перемешивания. Общая характеристика процессов перемешивания в жидких средах. Перемешивание - гидромеханический процесс взаимного перемещения частиц в жидкой среде с целью их равномерного распределения во всем объеме под действием импульса, передаваемого среде мешалкой, струей жидкости или газа.

Совокупность единичных операций образует конкретные технологические процессы. В общем случае технологический процесс реализуется посредством технологических операций, которые выполняются параллельно, последовательно или комбинированно, когда начало последующей операции сдвинуто по отношению к началу предыдущей.

Управление технологическим процессом представляет собой организационно-техническую задачу, и решают ее сегодня, создавая автоматические или автоматизированные системы управления технологическим процессом.

Целью управления технологическим процессом может быть: стабилизация некоторой физической величины, изменение ее по заданной программе или, в более сложных случаях, оптимизация некоторого обобщающего критерия, наибольшая производительность процесса, наименьшая себестоимость продукта и т. д.

К числу типовых технологических параметров, подлежащих контролю и регулированию, относят расход, уровень, давление, температуру и ряд показателей качества.

Замкнутые системы используют текущую информацию о выходных величинах, определяют отклонение ε(t) управляемой величины Y(t) от ее заданного значения Y(o) и принимают действия к уменьшению или полному исключению ε (t ).

Простейшим примером замкнутой системы, называемой системой регулирования по отклонению, служит показанная на рисунке 1 система стабилизации уровня воды в баке. Система состоит из измерительного преобразователя (датчика) 2 уровня, устройства 1 управления (регулятора) и исполнительного механизма 3, управляющего положением регулирующего органа (клапана) 5.

Рис. 1. Функциональная схема автоматической системы управления: 1 - регулятор, 2 - измерительный преобразователь уровня, 3 - исполнительный механизм, 5 - регулирующий орган.

Регулирование расхода

Системы регулирования расхода характеризуются малой инерционностью и частой пульсацией параметра.

Обычно управление расходом - это дросселирование потока вещества с помощью клапана или шибера, изменение напора в трубопроводе за счет изменения частоты вращения привода насоса или степени байпасирования (отведения части потока через дополнительные каналы).

Принципы реализации регуляторов расхода жидких и газообразных сред показаны на рисунке 2, а, сыпучих материалов - на рисунке 2, б.

Рис. 2. Схемы регулирования расхода: а - жидких и газообразных сред, б - сыпучих материалов, в - соотношения сред.

В практике автоматизации технологических процессов встречаются случаи, когда требуется стабилизация соотношения расходов двух или более сред.

В схеме, показанной на рисунке 2, в, поток к G1 - ведущий, а поток G2 = γ G - ведомый, где γ - коэффициент соотношения расходов, который устанавливают в процессе статической настройки регулятора.

При изменении ведущего потока G1 регулятор FF пропорционально изменяет ведомый поток G2.

Выбор закона регулирования зависит от требуемого качества стабилизации параметра.

Регулирование уровня

Системы регулирования уровня имеют те же особенности, что и системы регулирования расхода. В общем случае поведение уровня описывается дифференциальным уравнением

D(dl/dt) = G вх - G вых + G обр,

где S - площадь горизонтального сечения емкости, L - уровень, Gвх, G вых - расход среды на входе и выходе, G обр - количество среды, увеличивающейся или уменьшающейся в емкости (может быть равно 0) в единицу времени t .

Постоянство уровня свидетельствует о равенстве количеств подаваемой и расходуемой жидкости. Это условие может быть обеспечено воздействием на подачу (рис. 3, а) или расход (рис. 3, б) жидкости. В варианте регулятора, показанном на рисунке 3, в, используют для стабилизации параметра результаты измерений подачи и расхода жидкости.

Импульс по уровню жидкости - корректирующий, он исключает накопление ошибки вследствие неизбежных погрешностей, возникающих при изменении подачи и расхода. Выбор закона регулирования также зависит от требуемого качества стабилизации параметра. При этом возможно использование не только пропорциональных, но также и позиционных регуляторов.

Рис. 3. Схемы систем регулирования уровня: а - с воздействием на подачу, б и в - с воздействием на расход среды.

Регулирование давления

Постоянство давления, как и постоянство уровня, свидетельствует о материальном балансе объекта. В общем случае изменение давления описывается уравнением:

V(dp/dt) = G вх - G вых + G обр,

где V- объем аппарата, р - давление.

Способы регулирования давления аналогичны способам регулирования уровня.

Регулирование температуры

Температура - показатель термодинамического состояния системы. Динамические характеристики системы регулирования температуры зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата. Особенность такой системы - значительная инерционность объекта и нередко измерительного преобразователя.

Принципы реализации регуляторов температуры аналогичны принципам реализации регуляторов уровня (рис. 2) с учетом управления расходом энергии в объекте. Выбор закона регулирования зависит от инерционности объекта: чем она больше, тем закон регулирования сложнее. Постоянная времени измерительного преобразователя может быть снижена за счет увеличения скорости движения теплоносителя, уменьшения толщины стенок защитного чехла (гильзы) и т. д.

Регулирование параметров состава и качества продукта

При регулировании состава или качества продукта возможна ситуация, когда параметр (например, влажность зерна) измеряют дискретно. В этой ситуации неизбежны потеря информации и снижение точности динамического процесса регулирования.

Рекомендуемая схема регулятора, стабилизирующего некоторый промежуточный параметр Y(t), значение которого зависит от основного регулируемого параметра - показателя качества продукта Y(ti ), показана на рисунке 4.

Рис. 4. Схема системы регулирования качества продукта: 1 - объект, 2- анализатор качества, 3 - экстраполяционный фильтр, 4 - вычислительное устройство, 5 - регулятор.

Вычислительное устройство 4, используя математическую модель связи между параметрами Y(t) и Y(ti ), непрерывно оценивает показатель качества. Экстраполяционный фильтр 3 выдает оценочный параметр качества продукта Y(ti ) в промежутках между двумя измерениями.

Автоматическое регулирование - это управление технологическими процессами при помощи продвинутых устройств с заранее определенными алгоритмами.

В быту, например, автоматическое регулирование может осуществляться при помощи термостата, который измеряет и поддерживает комнатную температуру на заданном уровне.

После того, как желательная температура задана, термостат автоматически контролирует комнатную температуру и включает или отключает нагреватель или воздушный кондиционер по мере необходимости, чтобы поддержать заданную температуру.

На производстве управление процессами обычно осуществляется средствами КИП и А , которые измеряют и поддерживают на необходимом уровне технологические параметры процесса, такие как: температура , давление , уровень и расход . Ручное регулирование на более-менее масштабном производстве затруднительно по ряду причин, а многие процессы вообще невозможно регулировать вручную.

Технологические процессы и переменные процесса

Для нормального выполнения технологических процессов необходимо контролировать физические условия их протекания. Такие физические параметры, как температура, давление, уровень и расход могут изменяться по многим причинам, и их изменения влияют на технологический процесс. Эти изменяемые физические условия называются «переменными процесса».

Некоторые из них могут понизить эффективность производства и увеличить производственные затраты. Задачей системы автоматического регулирования является минимизация производственных потерь и затрат на регулирование, связанных с произвольным изменением переменных процесса.

На любом производстве осуществляется воздействие на сырьё и другие исходные компоненты для получения целевого продукта. Эффективность и экономичность работы любого производства зависит от того, как технологические процессы и переменные процесса управляются посредством специальных систем регулирования.

На тепловой электростанции, работающей на угле, уголь размалывается и затем сжигается, чтобы произвести тепло, необходимое для преобразования воды в пар. Пар может использоваться по множеству назначений: для работы паровых турбин, тепловой обработки или сушки сырых материалов. Ряд операций, которые эти материалы и вещества проходят, называется «технологическим процессом». Слово «процесс» также часто используется по отношению к индивидуальным операциям. Например, операция по размолу угля или превращения воды в пар могла бы называться процессом.

Принцип работы и элементы системы автоматического регулирования

В случае системы автоматического регулирования наблюдение и регулирование производится автоматически при помощи заранее настроенных приборов. Аппаратура способна выполнять все действия быстрее и точнее, чем в случае ручного регулирования.

Действие системы может быть разделено на две части: система определяет изменение значения переменной процесса и затем производит корректирующее воздействие, вынуждающее переменную процесса вернуться к заданному значению.

Система автоматического регулирования содержит четыре основных элемента: первичный элемент, измерительный элемент, регулирующий элемент и конечный элемент.

Первичный элемент воспринимает величину переменной процесса и превращает его в физическую величину, которое передается в измерительный элемент. Измерительный элемент преобразовывает физическое изменение, произведенное первичным элементом, в сигнал, представляющий величину переменной процесса.

Выходной сигнал от измерительного элемента посылается к регулирующему элементу. Регулирующий элемент сравнивает сигнал от измерительного элемента с опорным сигналом, который представляет собой заданное значение и вычисляет разницу между этими двумя сигналами. Затем регулирующий элемент производит корректирующий сигнал, который представляет собой разницу между действительной величиной переменной процесса и ее заданным значением.

Выходной сигнал от регулирующего элемента посылается к конечному элементу регулирования. Конечный элемент регулирования преобразовывает получаемый им сигнал в корректирующее воздействие, которое вынуждает переменную процесса возвратиться к заданному значению.

В дополнение к четырем основным элементам, системы регулирования процессами могут иметь вспомогательное оборудование, которое обеспечивает информацией о величине переменной процесса. Это оборудование может включать такие приборы как самописцы, измерители и устройства сигнализации.

Виды систем автоматического регулирования

Имеются два основных вида автоматических систем регулирования: замкнутые и разомкнутые, которые различаются по своим характеристикам и следовательно - по уместности применения.

Замкнутая система автоматического регулирования

В замкнутой системе информация о значении регулируемой переменной процесса проходит через всю цепочку приборов и устройств, предназначенных для контроля и регулирования этой переменной. Таким образом, в замкнутой системе производится постоянное измерение регулируемой величины, её сравнение с задающей величиной и оказывается соответствующее воздействие на процесс для приведения регулируемой величины в соответствие с задающей величиной.

Например, подобная система хорошо подходит для контроля и поддержания необходимого уровня жидкости в резервуаре. Буек воспринимает изменение уровня жидкости. Измерительный преобразователь преобразует изменения уровня в сигнал, который отправляет на регулятор. Который, в свою очередь, сравнивает полученный сигнал с необходимым уровнем, заданным заранее. После регулятор вырабатывает корректирующий сигнал и отправляет его на регулирующий клапан, который корректирует поток воды.

Разомкнутая система автоматического регулирования

В разомкнутой системе нет замкнутой цепочки измерительных и обрабатывающих сигнал приборов и устройств от выхода до входа процесса, и воздействие регулятора на процесс не зависит от результирующего значения регулируемой переменной. Здесь не производится сравнение между текущим и желаемым значением переменной процесса и не вырабатывается корректирующее воздействие.

Один из примеров разомкнутой системы регулирования - автоматическая мойка автомобилей. Это технологический процесс по мойке автомобилей и все необходимые операции чётко определены. Когда автомобиль выходит с мойки предполагается, что он должен быть чистым. Если автомобиль недостаточно чист, то система этого не обнаруживает. Здесь нет никакого элемента, который бы давал информацию об этом и корректировал процесс.

На производстве некоторые разомкнутые системы используют таймеры, чтобы гарантировать, что ряд последовательных операций выполнен. Этот вид разомкнутого регулирования может быть приемлем, если процесс не очень ответственный. Однако, если процесс требует, чтобы выполнение некоторых условий было проверено и при необходимости были бы сделаны корректировки, разомкнутая система не приемлема. В таких ситуациях необходимо применить замкнутую систему.

Методы автоматического регулирования

Системы автоматического регулирования могут создаваться на основе двух основных методов регулирования: регулирования с обратной связью, которое работает путем исправления отклонений переменной процесса после того, как они произошли; и с воздействием по возмущению, которое предотвращает возникновение отклонений переменной процесса.

Регулирование с обратной связью

Регулирование с обратной связью - это такой способ автоматического регулирования, когда измеренное значение переменной процесса сравнивается с ее уставкой срабатывания и предпринимаются действия для исправления любого отклонения переменной от заданного значения.

Основным недостатком системы регулирования с обратной связью является то, что она не начинает регулировки процесса до тех пор, пока не произойдет отклонение регулируемой переменной процесса от значения ее уставки.

Температура должна измениться, прежде чем регулирующая система начнет открывать или закрывать управляющий клапан на линии пара. В большинстве систем регулирования такой тип регулирующего действия приемлем и заложен в конструкцию системы.

В некоторых промышленных процессах, таких как изготовление лекарственных препаратов, нельзя допустить отклонение переменной процесса от значения уставки. Любое отклонение может привести к потере продукта. В этом случае необходима система регулирования, которая бы предвосхищала изменения процесса. Такой упреждающий тип регулирования обеспечивается системой регулирования с воздействием по возмущению.

Регулирование с воздействием по возмущению

Регулирование по возмущению - это регулирование с опережением, потому что прогнозируется ожидаемое изменение в регулируемой переменной и принимаются меры прежде, чем это изменение происходит.

Это фундаментальное различие между регулированием с воздействием по возмущению и регулированием с обратной связью. Контур регулирования с воздействием по возмущению пытается нейтрализовать возмущение прежде, чем оно изменит регулируемую переменную, в то время, как контур регулирования с обратной связью пытается отрабатывать возмущение после того, как оно воздействует на регулируемую переменную.

Система регулирования с воздействием по возмущению имеет очевидное преимущество перед системой регулирования с обратной связью. При регулировании по возмущению в идеальном случае величина регулируемой переменной не изменяется, она остается на значении ее уставки. Но ручное регулирование по возмущению требует более сложного понимания того влияния, которое возмущение окажет на регулируемую переменную, а также использования более сложных и точных приборов.

На заводе редко можно встретить чистую систему регулирования по возмущению. Когда используется система регулирования по возмущению, она обычно сочетается с системой регулирования с обратной связью. И даже в этом случае регулирование по возмущению предназначается только для более ответственных операций, которые требуют очень точного регулирования.

Одноконтурные и многоконтурные системы регулирования

Одноконтурная система регулирования или простой контур регулирования - это система регулирования с одним контуром, который обычно содержит только один первичный чувствительный элемент и обеспечивает обработку только одного входного сигнала на регулятор.

Некоторые системы регулирования имеют два или больше первичных элемента и обрабатывают больше, чем один входной сигнал на регулятор. Эти системы автоматического регулирования называются «многоконтурными» системами регулирования.