Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Автоматическое регулирование. Учебное пособие.pdf
отступление от технологического регламента;
неисправность технологического оборудования;
отказ системы управления.
Такие процессы называются потенциально опасными процессами.
Можно выделить 4 основные группы потенциально опасных
процессов химической технологии [3]:
процессы с токсичными веществами;
процессы с взрывоопасными веществами и смесями;
процессы с большой скоростью реакции;
смешанные процессы.
Специфика потенциально опасных процессов состоит в том,
что они могут протекать в двух режимах:
нормальное функционирование;
предаварийное состояние.
Способность переходить в предаварийное состояние отличает
потенциально опасные процессы от обычных процессов химической
технологии.
Специфичность потенциально опасных процессов
предопределяет особое требование к АСУ этими процессами. В
составе АСУ должны иметься автоматические системы, которые
обеспечивали бы управление процессом в предаварийном состоянии.
Таковыми являются автоматические системы защиты АСЗ. Таким
образом, АСУ потенциально опасными процессами включает в себя:
автоматическую систему регулирования (АСР), автоматическую
систему защиту (АСЗ), автоматическую систему контроля (АСК),
автоматическую систему сигнализации (АСС ).
1.2.4. Функции АСУ потенциально опасными процессами
Автоматическая система регулирования (АСР), выполняет
управление процессом в режиме нормального функционирования.
Автоматическая система защиты (АСЗ) анализирует
предаварийное состояние и степень развития аварийной ситуации,
осуществляет выбор управляющих воздействий, предотвращающих
аварийную ситуацию. Они еще называются защитные воздействия.
Защитные воздействия в зависимости от степени развития аварийной
ситуации сводятся к двум видам: защитное воздействие,
возвращающее процесс в режим нормального функционирования,
т.е. они медленно завершают аварийную ситуацию; защитное
11
воздействие, прекращающее процесс: сброс реакционной массы в
специальную емкость, заполненную разбавителем, такая емкость
еще называется аварийный чан; подача в реактор разбавителя для
затормаживания процесса; подача жесткого хладагента и т.д.
Автоматическая система контроля (АСК) служит для
получения информации о состоянии объекта и условиях его работы.
Параметрами контроля этой системы являются входные и выходные
параметры, характеризующие нормальный режим работы и
предаварийное состояние.
Автоматическая система сигнализации (АСС) предназначена
для автоматического оповещения обслуживающего персонала о
наступлении интересующих процессов в управляемом объекте путем
подачи звуковых и световых сигналов. Сигналы выдаются о
значении параметров, характеризующие о возникновении аварийной
ситуации и о состоянии исполнительных органов, выполняющих
защитное воздействие.
Современная АСУ потенциально опасными процессами
строится на базе контроллеров и компьютеров [4]. Контроллер –
многофункциональное программируемое средство организации
измерительных каналов. Основное назначение контроллера – связь
между уровнем датчиков и исполнительных механизмов и уровнем
управляющих ЭВМ (серверов). Контроллер представляет собой
электронную схему, управляющую технологическим оборудованием,
собирающую и анализирующую данные, на основе которых
принимаются те или иные решения.
12
2. СТРУКТУРА САК И САР. ОПРЕДЕЛЕНИЯ
2.1. Структурная схема САК
Контроль технологических параметров определяет
состояние объекта. Техническая основа контроля – это средства
контроля, обеспечивающие измерение и регистрацию
физического параметра.
На рис. 3 представлена система автоматического
контроля (САК) параметра целевого продукта в точке А (в данном
случае – температуры) на выходе из теплообменника. САК
включает в себя: объект контроля, обобщенный датчик (ДОБ), канал
связи, вторичный прибор - ВП (контроллер, персональный
компьютер (ПК)) [4].
Объект контроля - целевой продукт, выходящий из
теплообменника. Параметр контроля - температура целевого
продукта. Обобщенный датчик (Д
) – конструктивная
ОБ
совокупность преобразователей. Преобразует сигнал
измерительной информации в унифицированный сигнал (в
соответствии с системой ГСП).
Канал связи передает унифицированный сигнал
измерительной информации по электрическим проводам (или по
пневматическим и гидравлическим импульсным трубкам) от Д
ОБ
к
ВП (ПК, контроллеру).
Вторичный прибор показывает измеренное значение
контролируемого параметра на отсчетном устройстве, а также, при
необходимости, регистрирует его величину.
Контроллер – обрабатывает по заложенной в нем программе
информацию, поступившую от датчиков. Высвечивает на табло
значения измеренных параметров.
Персональный компьютер графически отображает изменение
контролируемых параметров, использует измеренные данные в
алгоритме заложенной в ПК программы и распечатывает на
принтере полученные результаты.
13
Целевой
продукт
хладагент
контроллер
теплообменник
Доб
ВП
ПК
Рис. 3. Система автоматического контроля температуры
2.2. Структурная схема САР
Автоматическое регулирование параметра – это операция
автоматического изменения регулируемой величины по какому-либо
закону [4].
Структура САР: объект регулирования, обобщенный датчик
Доб, канал связи, вторичный прибор (ВП, ПК), регулирующее
устройство (регулятор, контроллер), исполнительное устройство
(исполнительный механизм + регулирующий орган). Здесь
обобщенный датчик – Доб, персональный компьютер – ПК,
14
вторичный прибор (ВП). В роли регулирующего устройства
применяются программируемые контроллеры (или регуляторы).
Различают:
1) САР стабилизации – это поддержание регулируемого
параметра на нужном фиксированном значении (в нефтехимии
используется чаще всего);
2) САР программного управления – заданное значение
регулируемого параметра может изменяться по программе. Такие
системы используются при автоматизации процессов периодического
действия или процессов, работающих по определенному циклу.
3) САР следящего регулирования - заданное значение
регулируемой величины заранее не известно и является функцией
внешней независимой технологической величины и = f (y). Эти
системы служат для регулирования одной технологической величины
(ведомой), находящейся в определенной зависимости от значений
другой (ведущей) технологической величины.
Системы САР могут быть разделены на системы
несвязанного и связанного регулирования.
В первых из них регуляторы непосредственно не связаны
между собой и воздействуют на общий для них объект регулирования
раздельно. Системы несвязанного регулирования обычно
используются, когда взаимное влияние регулируемых величин объекта мало или практически отсутствует.
В противном случае применяют системы связанного
регулирования, в которых регуляторы различных величин одного
технологического объекта связаны между собой внешними связями
(вне объекта) с целью ослабления взаимного влияния регулируемых
величин.
По числу контуров прохождения сигналов САР делят на
одноконтурные и многоконтурные. Одноконтурными называются
системы, содержащие один замкнутый контур, а многоконтурными имеющие несколько замкнутых контуров. Многоконтурные АСР
могут применяться и для регулирования одной величины с целью
повышения качества переходного процесса (см. ниже).
Рассмотрим процесс стабилизации температуры выходящего
из теплообменника целевого продукта в точке А. Горячий целевой
продукт (120 ºС) поступает из соседнего цеха и охлаждается
хладагентом до 100º С (в точке А) (рис. 4).
15
Рис. 4. Процесс стабилизации температуры
А
Целевой продукт
100°
Хладагент
120°
В данной схеме регулирования температура целевого продукта на
входе в теплообменник всегда 120º С. Расход целевого продукта,
температура хладагента на входе в теплообменник, расход
хладагента не меняются. Температура целевого продукта на выходе
из теплообменника в точке А будет 100°С, до тех пор пока не
изменится температура целевого продукта на входе в теплообменник
(120ºС). Изменение температуры целевого продукта на входе в
теплообменник – это возмущающее воздействие. Данная схема
регулирования «одноразовая». Как только величина температуры на
входе в теплообменник изменится, данная схема регулирования
перестанет работать. В этом случае надо будет изменить расход
хладагента на входе в теплообменник, но на трубе подачи
хладагента нет клапана.
Таким образом, данная схема регулирования должна быть
усовершенствована. В результате получим схему регулирования
(рис. 5).
Итак, необходимо стабилизировать температуру в точке А
объекта регулирования на уровне 100º С – это заданное значение
регулируемого параметра. Та температура, которая будет в точке А,
называется текущим значением регулируемого параметра. Текущее
значение регулируемого параметра воспринимается обобщенным
датчиком и преобразуется им в унифицированный выходной сигнал.
Этот унифицированный сигнал поступает на вторичный прибор и
регулирующее устройство – контроллер.
16
А
Целевой продукт
Б
КОНТРОЛЛЕР
ВП
Доб
ПК
принтер
Хладагент
120° 100
°
μ
СТ
тек
°= 90
Рис. 5. САР температуры целевого продукта
Вторичный прибор показывает текущее значение целевого
продукта в точке А. Например, текущее значение регулируемого
параметра 90° С поступает на контроллер, а в нем заложена величина
заданного значения температуры в точке А
100 °С. Контроллер в соответствии с программой подсчитывает
сигнал рассогласования σ = Т
тек
– Т
, то есть
зад
σ = 90 ºС – 100 ºС = –10 ºС
Сигнал рассогласования σ считается входным сигналом
регулирующего устройства. Регулятор анализирует величину и знак
σ и по программе в соответствии со своим законом регулирования
вырабатывает регулирующее воздействие μ. Выходным сигналом
является μ, которое определяет закон перемещения затвора
регулирующего органа. В данном случае
вместо 100 ºС,
следовательно, затвор регулирующего органа в соответствии с
величиной и знаком σ должен переместиться вправо на величину
пропорциональную величине σ (т.е. в новое отмеченное пунктиром
положение), это уменьшит подачу хладагента (рис. 6). В результате
температура целевого продукта на выходе из теплообменника в
17
точке А будет заданной (т.е. вернётся к 100°С). Если же из соседнего
цеха в точку Б придёт целевой продукт с температурой 150ºС, то, в
точке А вместо 100ºС будет, например, 130ºС. Данная же система
регулирования будет поддерживать температуру в точке А на
отметке 100ºС.
Рис. 6. Перемещение регулирующего органа в зависимости от величины
сигнала рассогласования
Произойдет это за счет увеличения подачи хладагента. Затвор
исполнительного устройства в соответствии с величиной и знаком σ
переместится влево и увеличит подачу хладагента. Температура
целевого продукта в точке Б – это главное возмущающее
воздействие. Регулятор в ответ вырабатывает регулирующее
воздействие μ.
18
Способ перемещения затвора в новое положение
определяется законом регулирования (П, И, ПИ, ПИД). В
контроллерах запрограммирован чаще всего ПИД закон.
Итак, на объект регулирования действуют 2 воздействия:
возмущающее и регулирующее. Задачей САР является
компенсировать влияние возмущающего воздействия на объект
регулирующим воздействием. В результате этой компенсации
происходит переходный процесс регулирования. Изменение во
времени регулируемой величины в переходном процессе происходит
за время регулирования τ
.
р
2.3. Виды переходных процессов
Существует несколько видов переходных процессов [3].
После возмущения, нанесенного на объект регулирования,
возвращение регулируемого параметра к номиналу в устойчивой
САР происходит не сразу, а за время τ
, называемое временем
р
регулирования.
Переходный процесс изображается графически. Если
обозначить ∆у как отклонение величины регулируемого параметра
от заданного значения, то возникают 4 возможных вида переходного
процесса (а, б – для устойчивых САР; в, г – для неустойчивых САР)
(рис. 7).
а) апериодический сходящийся переходный процесс.
б) затухающий колебательный переходный процесс.
в) незатухающий колебательный процесс.
г) расходящийся колебательный процесс.
Переходные процессы в САР возникают не только при
появлении возмущающего воздействия, но и при перенастройке
системы на новое задание.
19
Рис. 7. Переходные процессы:
а) апериодический сходящийся переходный процесс;
б) затухающий колебательный переходный процесс;
в) незатухающий колебательный процесс;
г) расходящийся колебательный процесс.
Требования к САР:
1. САР должна быть устойчивой и должно быть малое τ
2. В устойчивых САР при одинаковых τ
регулирования будет лучше у той САР, где меньше ∆у
max
.
р
качество
р
и меньшее
количество колебаний.
3. После завершения переходного процесса регулируемая
величина не возвращается точно к заданному значению, а имеет
место статическая погрешность регулирования δ. Чем она меньше,
тем качественнее САР.
Системы, в которых для приведения в действие
регулирующего органа используется энергия, непосредственно
20