книги из ГПНТБ / Шель М.М. Средства автоматизации химических процессов

3-е звенья ввиду того, что они являются как бы пере­ даточными механизмами регулятора и самостоятельной' роли в системе регулирования не играют. Это справед­ ливо лишь в том случае, если мы рассматриваем систе­ му регулирования, отвлекаясь от конкретного объекта,

иинтересуемся только его динамическими свойствами.

Вэтом случае мы подразумеваем, что динамические свойства регулятора объединяют соответственно свой­ ства 1, 2 и 3-го звеньев. Тогда система будет выглядеть проще, потому что она будет состоять лишь из двух звеньев: регулятора и объекта. (См. рис. 3). По этой схеме легче выявить все необходимые действия регуля­ тора. В качестве примера продолжим рассмотрение про­

цесса ректификации пергидроля.

Выход объекта (в нашем случае — плотность перги­ дроля) является входом регулятора, а выход регулятора (положение регулирующего вентиля)— входом объекта регулирования.

Выход объекта (плотность пергидроля) может изме­ няться не только из-за изменения положения регулиру-’ ющего органа, но и вследствие ряда других причин, на­ пример изменения вакуума в колонне, изменения коли­ чества и качества подаваемого в колонну сырья, изме­ нения температуры внешней среды и т. п. Все эти при­ чины, влияющие на выход объекта, но не связанные не­ посредственно с регулирующим органом, называются возмущениями. Регулятор должен поддерживать на за­ данном уровне выходные параметры независимо от при­ чины возникновения отклонений.

Объекты регулирования могут обладать различными динамическими свойствами. Так, например, время, не­ обходимое для изменения температуры печи, и время, необходимое для изменения числа оборотов двигателя, различны. Для того чтобы поддерживать стабильно па­ раметры этих объектов (температуру и число оборо-

возмущения

Рис. 3. Структурная схема системы автоматического регулирования.

тов), необходимо иметь соответствующие регуляторы. Динамические свойства этих регуляторов, естественно, должны быть также различными.

Изучением динамических свойств звеньев системы автоматического регулирования и всеми закономерно­ стями работы системы занимается теория автоматиче­ ского регулирования. Она дает определенные рекомен­ дации по выбору типов регуляторов и их настроек в со­ ответствии со свойствами объектов регулирования.

Выбор типа регулятора и необходимых настроек производится пос'ле соответствующего изучения динами­ ческих свойств объектов регулирования. В простейших случаях это может быть выполнено практически, путем подбора. В сложных случаях, особенно при установке

12

двух, трех и более регуляторов для совместного регули­ рования, необходимо знать математическое описание объектов регулирования.

С целью математического описания динамических свойств объектов проводят специальные исследования. Можно, например, давать специальные возмущения на вход объекта и выяснять при этом закон изменения вы­ ходной величины. Результаты экспериментов подверга­ ются математической обработке, после чего составляет­ ся дифференциальное уравнение объекта регулирова­ ния. Дифференциальное уравнение регулятора, как пра­ вило, известно заранее. После этого полученную систе­ му уравнений набирают на электронной моделирующей установке и исследуют процесс автоматического регули­ рования. В результате таких исследований будет найден тип регулятора и его оптимальные настройки.

Такой инженерный подход к настройке систем авто­ матического регулирования, к сожалению, еще не на­ шел широкого применения на химических предприятиях, хотя совершенно бесспорно, что от нахождения опти­ мальных настроек регуляторов зависит получение мак­ симального эффекта от внедрения автоматизации.

Разберем подробнее каждую группу элементов си­ стемы автоматического регулирования.

Объекты регулирования

Объект регулирования является элементом или зве­ ном в замкнутой цепочке, составляющей систему авто­ матического. регулирования. Создание работоспособной системы, обеспечивающей необходимое качество авто­ матического регулирования, требует знания свойств объекта регулирования. Изучение свойств объекта воз­ можно расчетным путем и экспериментальными метода­

13

характеристик в виде графиков. Наиболее важными свойствами объектов регулирования являются самовыравнивание и емкость, время разгона и время чисто го запаздывания.

При нарушении в объекте равенства между прито ком и расходом энергии, или жидкости, или газа регули руемый параметр через некоторое время принимает но­ вое постоянное значение без вмешательства извне. Это свойство объекта называется самовыравниванием.

Есть объекты регулирования без самовыравнивания. В них даже при самом небольшом возмущении пара­ метр начинает непрерывно меняться и не приходит к новому постоянному значению.

Емкость объекта характеризует его аккумулирую­ щую способность, или инерционность. Чем больше ем­ кость объекта, тем меньше скорость изменения пара­ метра при одном и том же изменении количества пода­ ваемого продукта (или расходуемого).

Величина емкости для одного и того же объекта может быть постоянной и переменной. Следует иметь в виду, что здесь идет речь о динамической емкости. Не­ обходимо отличать это понятие от понятия емкости как объема резервуара, который определяется геометриче­ скими размерами и остается всегда неизменным.

Если резервуар, наполненный жидкостью, имеет оди­ наковый диаметр по всей высоте, то емкость его по­ стоянна. Постоянной емкостью обладает цилиндриче­ ский резервуар в вертикальном положении. К объектам, обладающим непостоянной емкостью, относятся, напри­ мер, цилиндрический резервуар в горизонтальном поло­ жении и сферический резервуар.

Так, например, в сферическом резервуаре для уве-

14

лишения уровня жидкости на определенную величину в нижней части аппарата требуется меньшее количество жидкости, а в средней части — большее.

В тепловых объектах емкость также может иметь непостоянное значение, например, вследствие изменения теплоемкости жидкости, заполняющей резервуар, при различных температурах.

Объекты регулирования подразделяются на одно­ емкостные и многоемкостные в зависимости от числа емкостей.

При проектировании систем автоматики, как прави­ ло, интересуются динамическими свойствами объектов, из которых важнейшими являются время разгона и по­ стоянная времени, а также время чистого запазды­ вания.

Временем разгона объекта называется время, в те­ чение которого регулируемый параметр изменяется от нуля до заданного значения при мгновенном изменении притока, например, какой-нибудь жидкости или газа, от нуля до величины, соответствующей номинальной на­ грузке объекта. Время разгона зависит от емкости объ­ екта, оно характеризует продолжительность процесса самовыравнивания или динамические свойства объекта.

В технологических процессах изменение параметра на выходе объекта начинается не одновременно с воз­ мущающим воздействием. Проходит некоторое время о.т начала возмущения до момента, когда параметр начнет изменяться. Это время характеризует запаздывание из­ менения выходной величины в объекте. Как правило, наибольшее запаздывание имеют объекты, в которых регулируется температура. Время запаздывания являет­ ся нежелательным фактором, затрудняющим процесс автоматического регулирования, оно должно обяза­ тельно учитываться при проектировании и настройке средств автоматизации.

15

Датчики

Датчик является одним из основных элементов систе­ мы автоматического регулирования. Он предназначен для непосредственного измерения регулируемой величи­ ны и преобразования результатов измерений в пневма­ тические или электрические сигналы.

Существуют унифицированные и специальные датчи­ ки. Унифицированные датчики предназначены для изме­ рения определенных параметров, например температуры, давления и т. п., в разных аппаратах или процессах. Специальные датчики служат для измерения того или иного параметра, например качества материала только в одном определенном аппарате или процессе.

В настоящее время разработано огромное количест­ во датчиков самых различных систем и назначений, но все же почти каждый новый процесс требует разработ­ ки новых датчиков, если речь идет о качественном из­ мерении продукта.

Существует большое количество унифицированных датчиков, предназначенных для измерения параметров объектов автоматического регулирования. К ним отно­ сятся датчики температуры, давления, уровня, расхода жидкостей или газов и т. п.

Имеется ряд унифицированных датчиков, которые служат для качественных измерений. Как правило, эти датчики представляют собой довольно сложные спе­ циальные приборы. К ним относятся приборы для изме­ рения состава газов, PH-метры, приборы для определе­ ния цвета жидкостей, различные сложные приборы для определения состава и некоторых свойств жидкостей. Основной недостаток приборов для определения качест­ ва продуктов — их неуниверсальность. Например, опти­ ко-акустический газоанализатор, предназначенный для измерения состава одних газов, не может быть исполь-

16

зован без соответствующих переделок и специальных исследований для определения состава других газов.

Поэтому часто возникает необходимость разработки специальных датчиков.

Для более тщательного уяснения сути данного во­ проса вернемся к рассматриваемому нами примеру авто­ матизации получения пергидроля. В нашем примере по­ казателем работы системы является качество продукта. Критерием качества продукта служит концентрация пергидроля, которая должна поддерживаться в опреде­ ленных пределах. Концентрация пергидроля опреде­ ляется ареометром. Более точное определение может быть произведено титрованием в. лаборатории.

Дело в том, что показания ареометра сильно зави­ сят от температуры жидкости. Причем, при различных температурах ошибка показаний может достигать. 30—40 процентов. Поэтому для более точных измерений прибором типа ареометра необходимо учитывать температуру жидкости. Унифицированных датчиков, отвеча­ ющих поставленным требованиям, нет.

Коллективом Иркутского филиала НИИХИММАШа был спроектирован специальный датчик. Работает датчик по такому же принципу, как и ареометр. 1лубина погружения поплавка пропорциональна плот­ ности жидкости. На верхнем конце поплавка 5 укре­ плен железный сердечник 4, который воздействует на измерительные катушки 2 и 2'. Если поплавок погру­ жен сильно, то в нижней катушке 2' электродвижущая сила (э. д. с.) больше, чем в верхней 2 и наоборот. Раз­ ность э. д. с. верхней и нижней катушек, соответствую­ щая положению поплавка, усиливается, затем подается на прибор для записи показаний и на регулятор.

Для температурной корректировки показаний слу­ жит специальный мостик 3, .состоящий из трех сопротив-'

внутри камеры, равной 20°С, мост сбалансирован и на вертикальной диагонали напряжение равно нулю. Если, температура жидкости отличается от 20°С, то мостик разбалансируется вследствие изменения сопротивления термистера 6, и на вертикальной диагонали мостика 3

появится напряжение соответствующего знака и величины. Напряжения вертикальной диагонали мостика и измерительных катушек алгебраически складываются, и на усилитель подается скорректированное напряжение.

18

г) регуляторы с программным управлением. Простейший регулятор обеспечивает пропорциональ­

ное перемещение исполнительного органа в зависимости от отклонения регулируемой величины. В этом случае закон регулирования имеет вид:

У = кх,

где у - перемещение исполнительного органа от сред­ него положения;

.х — отклонение регулируемой величины от задан­ ного значения;

к — коэффициент пропорциональности.

Более сложные, так называемые изодромные регуля­ торы обеспечивают не только пропорциональное пере­ мещение исполнительного органа в зависимости от от­ клонения регулируемой величины, но и дополнительное перемещение в зависимости от длительности отклоне­ ния. Чем больше времени имеет место отклонение регу­ лируемой величины, тем дальше перемещается исполни­ тельный орган. Время, в течение которого исполнитель­ ный орган переместится вдвое от начального положе­ ния, называется временем изодрома, или временем уд­ воения.

Изодромные регуляторы находят очень широкое при­ менение в химической промышленности.

Регулятор с предварением представляет собой такой тип регулятора, который дает команды на перемещение исполнительного органа в зависимости от скорости от­ клонения регулируемой величины. Поясним это.

Пропорциональный регулятор двигает исполнитель­ ный орган в соответствии с отклонением регулируемой величины. Например, если отклонение произошло на 10% от заданной величины, то и исполнительный орган переместится на 10% от среднего положения независи­ мо от того, с какой скоростью произошло это отклоне­ ние. При этом если скорость отклонения регулируемой

2П