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

величины мала, то пропорциональный регулятор спра­ вится со своей задачей. Но если скорость отклонения регулируемой величины велика, то регулятор не будет успевать поддерживать ее в заданных пределах, так как в этом случае нужно было более резко подействовать на исполнительный орган. В таких случаях применяют регулятор с предварением.

Для примера рассмотрим действия опытного кочега­ ра, регулирующего работу котельной установки. В слу­ чае, если давление пара быстро растет, он сильно умень­ шит подачу топлива; если давление растет медленно, он убавит подачу топлива. Таким образом, человек обра­ щает внимание не только на абсолютное отклонение давления, но и на скорость этого отклонения, причем он знает, что быстрое изменение давления приведет к боль­ шому отклонению его по абсолютной величине. Регуля­ тор с предварением осуществляет подобную же логиче­ скую операцию.

Регуляторы с программным управлением поддержи­ вают регулируемую величину на определенном уровне по заранее заданной программе. Например, в определен­

ное время поднимают или снижают температуру, дав­ ление.

Программные регуляторы различаются по времени и по параметру. У первых программа задается во вре­ мени,^ у вторых задается соответствующее изменение

одной величины в зависимости от изменения другой ве­ личины.

Программные регуляторы находят очень широкое применение при регулировании периодических процес­ сов и во всех случаях, когда требуется осуществлять регулирование по заранее определенному циклу.

Наибольшим распространением в системах автома­ тического регулирования пользуется изодромный регу­ лятор типа 04 пневматического действия. Регулятор

21

этого типа зарекомендовал себя как надежный и доста­ точно простой в обслуживании механизм. Регулятор типа 04 обычно монтируется внутри измерительного прибора. Для этой цели приспособлены приборы типов ТГ, МГ, ЭПД, ЭМД и ряд других. Изодромный регуля­ тор типа 04 находит самое широкое применение для ре­ гулирования отдельных параметров. Для регулирования сложных химических процессов, когда работают одно­ временно несколько регуляторов с различными связями между ними, этот тип регулятора непригоден.

Часто приходится регулировать объекты, в которых регулируемые величины взаимосвязаны. Отклонение одного регулирующего органа в таких объектах , вызы­ вает отклонение нескольких регулируемых величин. Если на такой объект установить несколько независи­ мых регуляторов, то срабатывание одного из них вызо­ вет отклонение величин, регулируемых другими регуля­ торами, а в результате — срабатывание остальных регу­ ляторов. В таких условиях регуляторы могут мешать друг другу. В подобных случаях часто оказывается целесообразным увязывать работу отдельных регулято­ ров между собой в единую систему регулирования. В такой взаимосвязанной системе исполнительное устройство каждого регулятора управляет не одним, а несколькими или всеми регулирующими органами. По­ этому в подобных системах процесс регулирования ка­ кой-либо одной величины не может происходить неза­ висимо от остальных величин, так как система действует как единый связанный комплекс.

Этим более повышенным требованиям отвечает раз­ работанная в последние годы агрегатная унифицирован­ ная система (АУС) автоматического регулирования. Эта система регуляторов состоит из отдельных блоков, предназначенных для выполнения простейших операций

22

над сигналами: усиление, сложение сигналов, диффе­ ренцирование, интегрирование и т. п.

Из таких типовых отдельных блоков можно ком­ плектовать самые разнообразные системы автоматиче­ ского регулирования.

В комплект системы АУС входят следующие типы блоков:

1.Блок изодромного регулирования.

2.Блок предварения.

3.Блок соотношения (поддержание одной величины

вопределенном соотношении с другой).

4.Блок суммирования.

5.Блок программного задатчика по времени.

6. Блок программного задатчика по параметру.

7. Регистрирующие блоки.

8. Показывающие блоки и др.

В настоящее время идет процесс широкого внедре­ ния системы АУС в практику автоматического регули­ рования.

Исполнительные механизмы

Исполнительные механизмы предназначены для не­ посредственного воздействия на регулируемую среду, поступающую в объект регулирования. Цель этого воз­ действия— количественное или качественное изменения этой среды для поддержания заданного значения регу­ лируемого параметра.

Наиболее распространенным на химических пред­ приятиях исполнительным механизмом является пнев­ матический клапан, а также различные механизмы с мембранным или поршневым приводом.

Пневматический регулирующий клапан состоит из двух основных узлов: мембранного привода и регули­ рующего органа. В качестве регулирующего органа мо­

23

гут применяться золотниковые механизмы, тарельчатые клапаны, игольчатые клапаны и др.

Пневматические клапаны собираются по двум схе­ мам: ВО — воздух открывает или ВЗ — воздух закры­ вает.

Для достижения качественного регулирования необ­ ходимо иметь определенную зависимость между изме­ нением регулируемого параметра и количеством жид­ кости или газа, проходящих через клапан. Наиболее распространенной является линейная зависимость. Это значит, что, например, при перемещении золотника на 10% расход через клапан меняется также на 10% и т.д.

Важное значение для правильной работы системы регулирования имеет правильный выбор размеров ре­ гулирующих клапанов. При завышенном проходном се­ чении клапана расход жидкости или газа через клапан изменяется не при всех перемещениях его. В этом слу­ чае может возникнуть явление «потери регулируе­ мости», при котором воздействие регулятора на клапан уже не приводит к изменению расхода.

ПРОЦЕССЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

К системе автоматического регулирования предъяв­ ляется требование — поддерживать регулируемые пара­ метры точно на заданном уровне или по заданной про­ грамме.

Внешние силы (возмущения), непрерывно воздейству­ ющие на систему, стремятся отклонить регулируемый параметр от заданного значения. При отсутствии систе­ мы регулирования нормальная работа аппарата или агрегата невозможна. Поэтому необходимо следить за ходом процесса и вводить определенные коррективы, направленные на компенсацию внешних воздействий.

24

Рис. 5. Процессы регулирования.

а — периодический; 6 - - колебательный, сходящийся , в 1^° тебательньИр гармонический; г — колебательный, расходя­ щийся; ч - апериодический, расходящийся.

В технике автоматического регулирования внешние воздействия называются возмущениями. Процесс регу­ лирования направляется на ликвидацию последствий действия возмущений.

Возмущение, вызванное, например, изменением ,на­ грузки, нарушает равенство в объекте между притоко’м и расходом вещества (или энергии), что приводит к от­ клонению регулируемого параметра от заданного зна­ чения. Начинается процесс автоматического регулиро­ вания. С момента, когда регулирующий орган снова уравняет приток с расходом, то есть сведет величину возмущения к нулю, оканчивается процесс регулиро­ вания.

Оценку качества процесса регулирования произво­ дят по времени процесса регулирования, по наибольше­ му отклонению параметра от заданного значения и ря­ ду других признаков.

Разберем наиболее характерные процессы регулиро­ вания.

Если после нанесения возмущения параметр плавно возвратится к заданному значению (кривая «а»), то та­ кой процесс регулирования называется апериодически сходящимся. Такой процесс регулирования в подавляю­ щем большинстве случаев является наиболее благо­ приятным.

Возможно, что параметр примет заданное значение лишь после ряда постепенно затухающих колебаний, как показано на кривой «б». Такой, процесс регулирова­ ния называется колебательно сходящимся.

Иногда, например, параметр, получив отклонение, продолжает колебаться длительное время с постоянной по величине амплитудой, показанной на кривой «в»,— это гармонически колебательный процесс. Наибольшее отклонение какого-либо параметра от среднего значе­ ния его называется амплитудой колебания 9) (рис. 56).

26

Время одного полного колебания называется периодом колебания Тк (рис. 56).

Если амплитуда колебаний не выходит за пределы допустимых значений параметра, то такой вид регули­

рования вполне приемлем; он часто встречается на" хи­ мических заводах.

Если амплитуда колебаний с течением времени уве­ личивается, то процесс называется гармонически рас­ ходящимся (кривая «г»).

Если параметр отклоняется от заданного значения без колебаний, то процесс называется апериодически расходящимся (кривая «д»).

Последние два вида процессов неприемлемы на практике. Если они имеют место, то немедленно прини­ маются меры к их устранению.

Характер изменения параметра при регулировании

определяется по кривой регулирования, записанной при­ бором.

Процессы регулирования, выраженные кривыми «а», «б» и «в», устойчивые, а процессы, показанные кри­ выми «г» и «д», неустойчивые. Наиболее важным фак­ тором, характеризующим динамические свойства, систе­ мы регулирования, является ее устойчивость.

Эффективность работы ряда технологических уста­ новок характеризуется максимумом или минимумом не­ которого параметра.

^Например, процесс нагрева нефтепродукта в трубча­ той печи можно считать наилучшим, если при поддер­ жании в заданных пределах всех технологических пара­ метров будет достигнуто максимальное значение коэф­ фициента полезного действия (к. п. д.) печи. Величина максимального к. п. д. зависит от ряда трудно поддаю­

щихся учету факторов и при разных нагрузках печи мо­ жет быть различной.

Ввиду того, что для каждого данного режима печи

27

величина максимального к. п. д. меняется, обычный ре­ гулятор не может его поддерживать, так как для каж­ дого данного режима необходимо находить новые на­ стройки регулятора.

Задача автоматического регулирования в этом слу­ чае сводится к отысканию и автоматическому поддер­ жанию с необходимой степенью точности экстремаль­ ного значения параметра, которое изменяется во време­ ни по неизвестному закону и поэтому не может быть задано заранее. Эту задачу решает система экстремаль­ ного регулирования, самонастраивающаяся на макси­ мальное значение регулируемого параметра. В этом случае не требуется знания всех зависимостей, опреде­ ляющих величину и положение максимума, требуется лишь наличие максимума.

Экстремальное регулирование получило свое назва­ ние от математического термина «экстремум», что означает максимум или минимум какой-либо вели­ чины.

Экстремальный регулятор разработан на базе пнев­ матической системы АУС Институтом автоматики и теле­ механики АН СССР.

При помощи программных регуляторов и командных устройств может быть осуществлено регулирование пе­ риодических процессов, которое до последнего времени считалось затруднительным. Однако в настоящее вре­ мя в связи с появлением ряда новейших приборов, а также вследствие развития теории автоматического ре­ гулирования такие процессы можно переводить на автоматическое регулирование.

Для осуществления автоматического регулирования не обязательно добиваться перевода всех периодиче­ ских процессов на непрерывные, чаще может оказаться более целесообразным использовать специальную аппа­ ратуру автоматики. Это соображение открывает дорогу

28

.< автоматизации многих технологических процессов, которые до последнего времени не поддавались автома­ тизации.

КОМПЛЕКСНАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ

При переходе от автоматизации отдельных процессов к комплексной автоматизации цехов, заводов возникает ряд новых проблем. Очевидно, что попытки решения за­ дач комплексной автоматизации методами, применяю­ щимися при частичной автоматизации, путем механиче­ ского наслоения друг на друга различных автоматиче­ ских устройств, в основном копирующих работу персо­ нала при управлении вручную, не будут состоятельны­ ми даже в простейших случаях. Нужно искать новые пути и новые средства автоматизации. Уже сейчас на крупных химических предприятиях количество регуля­ торов достигает нескольких тысяч, кроме этого, очень много различных измерительных приборов. Огромное количество параметров, подлежащих контролю, нельзя вывести на один щит управления, так как человек не в состоянии за ними уследить. Необходимо резко умень­ шить количество аппаратуры в схемах, удешевить и упростить конструкции датчиков, исполнительных меха­ низмов, упростить коммуникации и т. д.

Многие из возникающих затруднений можно разре­ шить, перейдя, как это сделано в новейших системах автоматического контроля, от непрерывного управления объектов к дискретному (прерывистому). Дело в том, что многие технологические процессы протекают срав­ нительно медленно. Перерыв в контроле объектов регу­ лирования на несколько секунд, а в некоторых случаях и минут, не влечет за собой каких-либо значительных последствий, так как состояние объекта не успевает заметно измениться. С другой стороны, существующие

29

технические средства позволяют очень-быстро произво­ дить измерение физических величин, запоминание ин­ формаций, проведение необходимых вычислительных операций и выдачу команд на изменение положения исполняющих органов.

Подобные устройства, следовательно, без ущерба для качества работы могут одновременно обслуживать практически неограниченное число объектов. Это по­ зволяет выполнить схему комплексной автоматизации с применением небольшого количества регуляторов.

Централизация управления при комплексной автома­ тизации позволит в дальнейшем использовать для це­ лей управления принципы, положенные в основу совре­ менных вычислительных машин.

В простейшем случае подобное устройство можно представить себе в следующем виде. Специальное запо­ минающее устройство хранит программы для всех ха­ рактерных режимов работы оборудования, для всех не­ обходимых технических и технико-экономических расче­ тов. Ввод той или иной программы в машину осущест­ вляется блоком управления в соответствии с определен­ ной общей программой и с информацией, поступающей от датчиков регулируемых величин, датчиков расхода регулируемых потоков и т. и. Указанная информация поступает на запоминающие устройства и после обегания всех датчиков — в блок управления. Все необходи­ мые расчеты и логические операции выполняются ариф­ метическими устройствами. Результаты вычислений по­ ступают опять в блок памяти, после чего начинается обегание исполнительных механизмов и выдача каждо­ му из них соответствующих команд.

Применение управляющих математических машин открывает новые, еще более широкие перспективы для комплексной, автоматизации производственных процес­ сов. Появляется возможность осуществления, на пер­

30