Предисловие. Дистанционный курс "регулирующая арматура в системах автоматизации"

Дистанционный курс "Регулирующая арматура в системах автоматизации" является самостоятельным курсом системы дополнительного профессионального образования в арматурной отрасли. Его основное предназначение – повышение профессиональной квалификации в области инжиниринга и применения трубопроводной арматуры для широкого круга специалистов.

Особенности курса

Курс "Регулирующая арматура в системах автоматизации" предназначен для слушателей, имеющих незначительный опыт или не имеющих опыта в анализе, подборе, и применении арматуры.

Курс может быть полезен для специалистов по эксплуатации арматуры предприятий-потребителей, технических специалистов, коммерческих инженеров, разрабатывающих проектные спецификации арматуры, специалистов по развитию и менеджеров по продажам и маркетингу.

Описание

В результате овладения материалами курса слушатель начинает разбираться в современных подходах к выбору и применению арматуры для автоматизированных систем управления, овладевает навыками подбора арматуры и аксессуаров в зависимости от технических, экономических и проектных требований, практикуется в умении анализа альтернатив выбора арматуры; определяет возможности повышения уровня проектных спецификаций арматуры в ходе ее выбора на основе применения критериев повышения эффективности арматурного хозяйства и использования современных способов сервиса арматуры, более глубоко узнает связи арматуры не только с особенностями технологии, но и с различными сторонами работы предприятий.

По окончании обучения слушатель получает сертификат о прохождении программы дополнительного профессионального образования и удостоверение установленного образца о повышении квалификации.

Для получения документа об образовании и полного обучения по курсу "Применение трубопроводной арматуры" слушатель должен пройти обязательный базовый курс, не менее одного из специализированных курсов и один курс по выбору.

Особенности дистанционного обучения на курсе

Курс построен в виде электронного учебника и рабочей тетради, что дает возможность слушателям курса использовать свои комментарии и наработки в качестве рабочего конспекта в своей дальнейшей практической работе и профессиональной деятельности.

Сроки обучения

Срок обучения 3 мес. по методике дистанционного обучения с момента открытия доступа

РЕГИСТРАЦИОННАЯ ФОРМА

приведена на сайте www.novotechnos.com и www.promconsult.org или вы можете обратиться по электронной почте valvepromconsult@bk.ru

Введение и задачи модуля

В модуле рассматривается связь особенностей и тенденций развития БДМ и технологических схем с развитием контуров регулирования и регулирующих клапанов.

Такой подход может помочь в нахождении «сквозных» параметров, определяющих развитие всех трех элементов системы и фактически являющихся главными параметрами в развитии основных уровней иерархической структуры БДМ. Поскольку он также даст возможность планомерно изыскивать «правильные» тенденции развития регулирующих клапанов в соответствии с задаваемыми требованиями вышестоящих уровней иерархии, то можно будет прогнозировать с большей уверенностью включение в систему элементов, соответствующих уровню развития технологии.

Нахождение верного фактора, оказывающего наибольшее влияние, окажет немаловажную помощь в прогнозировании и выборе того или иного элемента для установки. Как следует из опыта работы автора, такая проблема является весьма значительной. Так, определить, что же наиболее важно для внедрения тех или иных клапанов, бывает очень трудно. Это может быть и требование вписаться в систему автоматизации, и отвечать требованиям надежности и высокой точности, и требование соответствия технологическому процессу и схеме и т.п. В этом случае подход с учетом развития сразу трех основных уровней БДМ, учет их взаимовлияния и ограничений во взаиморазвитии, может стать основой для выбора и проектирования базового уровня клапанов для конкретных производств и облегчит жизнь отделам развития предприятий ЦБП.

Мы также должны показать и возможные ошибки при внедрении того или иного узла клапана в существующую или проектируемую технологическую схему. Для этих целей необходимо проанализировать, какие типовые ошибки отмечаются при внедрении контуров регулирования.

Чтобы выполнить наши задачи обучения мы проведем краткий экскурс в историю. Что имеет опережающий рост в развитии бумагоделательных машин: скорость или ширина? Мы покажем основные закономерности развития параметров КДМ и БДМ. Мы рассмотрим, что является основными трендами: будет ли это повышение непрерывности и интенсификации процесса; повышение степени замкнутости циклов; требование к управляемости процессов или автоматизация. Далее нам будет более ясно, как вслед за технологическим оборудованием происходит включение приборов, средств измерений и регулирования в системы непрерывных процессов. Будет понятно, растут ли опережающими темпами требования к надежности и эффективности процессов и насколько резко повышается скорость протекания процессов в технологии.

В курсе мы будем рассматривать особенности изменения технологии и ее связи с изменением контуров регулирования и регулирующей арматуры. Мы увидим, как заметно повышается динамичность и снижается инерционность процессов. Как при этом происходит повышение взаимосвязи процессов между собой и усложнение технологических схем и как это приводит к одновременному росту неравномерности развития частей технологических схем. Мы понаблюдаем, как происходит разделение потребностей в качественном регулировании в зависимости от участка БДМ, что отчетливо видно на примерах пароконденсатной системы, участка напорного ящика, участка обезвоживания и т.п. С определенного момента развития БДМ, как технической системы, требования к снижению издержек и требование унификации начинают превалировать.

Материалы курса отчетливо продемонстрируют развитие технологических схем и их влияние на развитие контуров регулирования. Будет рассмотрено собственное развитие контуров регулирования в составе различных участков технологических схем и выявлен переход к специализированным контурам и их дальнейшему развитию. Мы также попробуем определить взаимосвязь и противоречия между развитием технологических схем и обслуживающими их контурами регулирования. Будет заметна неизбежность выделения критических контуров регулирования, перехода к цифровым контурам регулирования. На этой основе мы продемонстрируем схемы дальнейшего развития регулирующей арматуры в составе контуров регулирования и необходимость ее дальнейшего совершенствования.

В конце материалов мы попробуем спрогнозировать дальнейшие шаги в развитии регулирующей арматуры, контуров регулирования и технических средств автоматизации. Вы узнаете о типовых ошибках в развитии контуров регулирования, и какие ресурсы можно найти для их усовершенствования в рамках сложившихся и проектируемых технологических процессов.

1. Развитие параметров картоноделательных и бумагоделательных машин

В 1869г. на бумагоделательной машине (БДМ) производилось 0,6т бумаги в сутки при скорости 11 м\мин. В настоящее время на газетных бумагоделательных машинах производится свыше 100-120 т\сут при рабочей скорости более 850-900 м\мин. Заметная разница, не так ли? Бумагоделательные машины, пройдя стадию развития непрерывности процесса, от формирования основных компонентов, перейдя в механизированную линию непрерывного действия и дойдя до стадии дальнейшего совершенствования как линии автоматического действия, в настоящее время являются в большей части системами с автоматическим управлением технологическим процессом.

Рис. 1. Первые бумагоделательные машины по [1]

В соответствии с предложенной Каменевым и Кугушевым (1) стадийностью развития БДМ их развитие может быть разбито на 3 этапа. 1-й этап – этап формирования БДМ как технологической линии. 2-й этап – механизация и автоматизация основных процессов. 3-й этап – превращение БДМ в систему взаимосвязанных автоматических машин.

Что же произошло внутри машины, и как это было связано с развитием контуров регулирования? Современные высокоскоростные БДМ достигли такого уровня, когда они состоят из нескольких основных технологических агрегатов, множества трубопроводов с насосами и бесчисленного количества клапанов, арматуры и КИП, в основном объединенных в контуры регулирования или отсечки. И именно поэтому их можно рассматривать как комплекс взаимосвязанных узлов регулирования, обеспечивающих непрерывное поддержание технологического процесса.

Малейший простой таких машин вызывает значительные потери. Например, время простоя крупнейших БДМ и КДМ может превышать 1000 ч в год на одну машину. Есть куда расти. Не в маловажной части это связано и с проблемами с совершенствованием контуров регулирования.

Важной частью современного развития БДМ стало вытеснение человека из процесса работы машины. Если сначала это была просто механизация, затем включение автоматизированных систем для замены действий оператора, то в настоящее время заметен ускоренный переход к включению лабораторных измерений, которые раньше выполнялись многочисленными цеховыми лабораториями, в состав системы АСУ ТП. Этим обеспечивается непрерывный автоматический контроль за показателями работы БДМ. В частности, можно привести пример анализаторов Кайаани (компания Метсо Автоматизация), выполняющих такие функции в составе мощных БДМ.

Значительной тенденцией выступает и требование унификации, что особенно характерно для такого значительного семейства компонентов БДМ, которыми являются регулирующие клапаны и арматура.

С ростом непрерывности процесса и необходимости снижения простоев актуальной стала и проблема надежности, поскольку вероятность разрыва непрерывной цепи в работе БДМ из-за ненадежности любого из составляющих его элементов высока. Достаточно привести пример из общей теории надежности. Система, состоящая из 100 последовательных элементов с высокой вероятностью безотказной работы равной 0,99, будет в целом иметь безотказность работы всего 0,34. Регулирующие клапаны как наиболее массовые элементы БДМ должны обладать повышенной надежностью. Она является наиболее осознанной в настоящее время характеристикой клапана. Примером этому является то, что, несмотря на множество регулирующих клапанов–заменителей, опытные специалисты бумажники отдают предпочтение надежным клапанам Neles. В настоящее время их доля на мировом рынке для регулирования процессов ЦБП превышает 60%.

Рост единичной мощности машин также вызывает необходимость повышения надежности. Опыт развития параметров машин показывает, что при анализе соотношения выбора: ширина или скорость машины? относительный приоритет будет иметь скорость.

С ростом скорости и непрерывности процесса возникает необходимость повышенной управляемости машины. В табл.1 приведена степень управляемости машины, т.е. отношение количества автоматизированных операций к их общему числу, характерных для российской ЦБП.

Табл. 1 Степень управляемости отечественных БДМ на примере машины Б-15 для выработки газетной бумаги при скорости 800м\мин. (1)

Современные машины имеют высокую степень автоматизации (65%), не только на установившихся, но и переходных режимах работы. Однако уже здесь начинают проявляться и противоречия между скоростями выполнения команд, качеством и помехоустойчивостью сигналов и требованиями по регулированию технологических процессов, сложностью управления по многим параметрам.

Так, одной из функциональных особенностей машины является одновременное выполнение множества операций и их функциональная взаимозависимость. В современных условиях оператор уже не способен решать такие задачи. Например, для обеспечения выпуска бумаги с заданными допусками массы 1м² на определенной скорости, требуется одновременное управление целым рядом взаимосвязанных параметров технологического процесса (качественные показатели суспензии, параметры работы напорного ящика вакуумной системы, системы подачи пара и удаления конденсата, влажности, регулирования скорости и т.п.). Выполнение операторами этих функций практически невозможно из-за низкого быстродействия и субъективных ошибок. На малых предприятиях часто выходом из положения является записная книжка обер-машиниста, где указано положение основных клапанов для определенных сортов бумаги. Однако даже на малых предприятиях это не может быть выходом из положения.

Проблемой является растущая интенсификация операций размола, сортирования, напуска и далее обезвоживания, прессования и сушки. Это приводит к значительной энергоемкости и требованию снижения необоснованных технологических и энергетических потерь.

СКОРОСТЬ ИЛИ ШИРИНА?

Скачки в развитии БДМ и КДМ достигались как изменением ширины, так и скорости машины. Динамика их изменения приведены в табл. 2.

Табл. 2. Изменение скорости (V м\мин) и ширины (В, мм) действующих газетных БДМ и КДМ за период 1920-2000 г.г.

* по данным печати

Из табл. 2 видно, что преимущественный рост производительности наблюдается в связи с ростом скорости. Относительное замедление роста ширины машин со временем также является характерной тенденцией. Результаты ряда исследований (1) показали, что, например, для газетных бумагоделательных машин увеличение скорости обходится дешевле, чем ширины машины. Это также свидетельствует о том, что требование непрерывности и связанное с ним требование надежности, безотказности, точности регулирования будет ведущим параметром на ближайшие годы.

Одним из результатов роста скорости является повышение непрерывности процесса. Показывая, как закон перехода от периодического к непрерывному или более интенсивному и динамическому действию действует в современном оборудовании ЦБП, приведем следующие примеры:

– Переход от периодически размалывающих роллов к непрерывно работающим мельницам.

– Переход от периодической варки по типу Камюр к непрерывной варке целлюлозы.

– Устранение мешалок в больших баках с переходом к статическим смесителям типа Lobe Mix.

– Переход от медленно и периодически работающих отстойников к непрерывно работающим флотоловушкам.

– Переход от удаления отходов при помощи двух периодически работающих шиберных заслонок в вихревом очистителе к клапану, работающему с высокой цикличностью типа Покет Фидер.

– Переход от инерционных ПИД-регуляторов к контурам регулирования с прогнозирующими механизмами по примеру клапана NelesACE.

– Задание дискретности времени импульса в полевых шинах Profibus выше длительности возмущающего воздействия сигнала.

– Снижение мертвой зоны в клапанах для медленно протекающих процессов и снижение гистерезиса для быстро протекающих процессов.

– Давление со стороны экологии заставляет вводить в схемы дополнительные элементы. Так, загрязнение внешней среды избегают установкой флотационных ловушек. При этом их использование в большой степени начинает применяться и по ступеням технологического процесса для внутренней очистки и «доработки» массы. В узлах очистки электрофильтры стали неотъемлемой частью очистки газов. Загрязнение или отравление циркуляционных участков приводит к необходимости специального подхода к подбору регулирующих клапанов на этих участках.

Требование снизить издержки вносит также свой вклад в изменение технологических схем. Использование вторичного тепла приводит к замыканию водооборота с подогретой водой, например, замыкание подсеточной и осветленной воды на подпитку, разбавление или гидроразбиватель.

1.1. Развитие технологических схем картоно и бумагоделательных машин

Стадия 1

На первом этапе развития в соответствии с (1) технологические схемы, как правило, были простыми, не требовавшими какого-либо регулирования и выполнялись вручную. Все процессы поддавались ручному управлению и регулированию. Сушильные секции обогревались паром с низким избыточным давлением. Открытые конструкции позволяли легко обслуживать машину.

Повышение скорости до 80м\мин поставило вопрос о начале регулирования, особенно с появлением напорного ящика с гидростатическим напором, позволившим существенно повысить скорость и качество истечения суспензии из выпускной щели.

Повышение скорости до 100м\мин привело к усложнению конструкции размольно-подготовительного отделения (РПО) и машины, поставило вопросы о безотказности и ремонтопригодности в целом, т.к. потери продукции из-за внезапных остановов и выходов из строя отдельных компонентов и неудобства их ремонта стали ощутимыми. Число рабочих резко сократилось, и их функции ограничились управлением процессами, наблюдением за постоянством количества и качества производимого продукта, ручным регулированием пуска и останова машин.

С интенсификацией технологического процесса потери непрерывности процесса и простои становятся недопустимыми, начинают исключаться холостые движения рабочих органов машины. В условиях возрастающей мощности возникает новая задача синхронизации и взаимоувязки регулирующих воздействий. Если раньше в РПО производство было дискретным, то с появлением мельниц оно также стало непрерывным. Для его реализации в целом предусматривается множество компенсирующих баков и емкостей, поскольку они позволяли снять проблемы в увязке и взаимовлиянии контуров и циркуляционных участков в поддержании стабильности процесса. Этап 1 закончился полной реализацией непрерывности технологического процесса.

Стадия 2

Возможности автоматического управления приводом, сеткой и др. создали предпосылки для повышения скорости истечения массы на сетку БДМ. Рос диаметр проходных сечений в регулирующих контурах, возникло понимание необходимости управлять расходными характеристиками и определять пропускную способность регулирующих органов. Скорости начали достигать свыше 500м\мин.

В технологических схемах начали появляться дополнительные подсистемы, позволяющие регулировать гидростатический столб жидкости. К этому же времени относятся и изменения конструкций напорных ящиков, гауч-прессов, изобретение и установка отсасывающего вала, что дополняло технологические схемы новыми контурами регулирования. Возникли новые задачи подачи красителей, клея, водоподготовки и т.п., реализуемые все новыми и новыми контурами регулирования.

При достижении скорости свыше 500м\мин появились трудности со снижением вибрации, динамических пульсаций, ростом диаметров трубопроводов и размерами регулирующих клапанов.

На этой стадии развития БДМ совершенствовались автоматические системы регулирования технологического процесса формования и обезвоживания полотна, непрерывного поддержания системы в работоспособном состоянии. Повышение скорости и удельных показателей работы сеточного стола уже достигалось не увеличением его длины, а путем интенсификации технологических процессов и повышения его удельной энергоемкости.

Появляются развитые вакуумные системы в связи с ростом применения прессов с нижними отсасывающими валами на подшипниках качения. Применяются новые конструкции отсасывающих валов, спрыски высокого давления из нержавеющей стали вместо бронзы.

В сушильной части вместо открытых конструкций появляется закрытый привод с централизованной циркуляцией смазки. Вся сушильная часть закрывается колпаком для утилизации и рекуперации тепла. Из-за тяжелых условий обслуживания развитие получают автоматические системы пароснабжения, отвода конденсата, централизованной смазки, эвакуации паровоздушной смеси и вентиляции, управления движением и кондиционированием сукон. Вместе с механизацией процессов на машине (заправка полотна, подъема валов и т.п.) все чаще применяются пневмосистемы, поскольку широкое развитие получают компрессорные станции с развитием систем подачи «силового» воздуха. Появляются системы подачи и охлаждения валов паром и водой.

Надежность повышалась путем отработки конструкций регулирующих органов, применением резервирования, динамизации процессов. Реализация обеспечивалась разработанными для этих целей средствами регулирования. Развитие обеспечивающих и вспомогательных процессов, переход к автоматическому регулированию технологических операций, широкое включение все новых и новых контуров регулирования и регулирующих органов стали содержанием этого этапа.

С ростом скорости до 500м\мин потребовалось увеличить и существенно улучшить качество подготовки бумажной массы перед ее подачей в напорный ящик. По этой причине значительные изменения начали происходить в технологических схемах размольно-подготовительного отделения (РПО).

Усовершенствования происходили по следующей схеме:

Появление оборудования для очистки суспензии от грубых включений и твердых частиц, (песочницы, циклоны, центробежные очистители).

Применение оборудования для сортирования и очистки суспензии от легких включений: (узлоловители, сортировки с ситами).

Расширение применяемых схем с гидростатическим и гидродинамическим напором, применение оборудования для создания вакуума и обвязка их более сложными и надежными регулирующими устройствами.

Контуры регулирования обвязывали как каждый отдельный элемент технологической схемы, так и вспомогательные элементы.

Начинают выделяться контуры регулирования, наиболее сильно влияющие на технологический процесс (специализированные и критические контуры регулирования).

Из задач регулирования становится значимой задача синхронизации работы различных узлов при высокой скорости протекающих процессов. Если до 1940г. машины практически не оснащались системами автоматического регулирования и автоматизации, то далее начинается их бурное внедрение.

Усложнение конструкций машин при росте скорости и производительности привело также и к увеличению возможности отказов и возрастанию экономических потерь. Эти факторы были основными причинами усиленного внимания к решению проблемы безотказности и ремонтопригодности БДМ (2), что привело к необходимости изменений в обслуживании и ремонте машин. На регулирующих клапанах и арматуре это отразилось тем, что они должны были быть более надежны и ремонтопригодны.

Основной мерой реализации надежности технологического процесса оставалось резервирование, обеспечивающее неразрывность протекания массы при каких-либо сбоях. Достаточно много было и открытых контуров, выбрасывающих использованные ресурсы из процесса. Ярким примером может быть оборотная вода, осветленная вода, сточные воды и т.п.

С развитием модульности конструкций и требований легкости монтажа и демонтажа стали чаще применяться компактные, легкие клапаны и арматура. В качестве примера можно сказать, что по возможности происходила замена шиберных задвижек на поворотные заслонки.

На втором этапе также зародилась и система технического обслуживания и ремонта, имеющая прямое отношение к клапанам и арматуре. Начали выделяться специализированные участки ремонта измерительных приборов и автоматизации. Однако, уровень унификации, при котором можно было бы не только заменять, но и модернизировать или обеспечивать обновление конструкции, еще не был достигнут. В связи с этим задачи ремонтопригодности и связанные с ними задачи блочности и модульности решений, унификации, взаимозаменяемости и преемственности в развитии решений остаются актуальными. Важной задачей становится и определение ресурсов безотказной работы, как в связи с надежностью работы в целом, так и надежности регулирования. На этой стадии решение виделось в создании системы планово-предупредительного ремонта (ППР) и норм технического обслуживания (ТО).

На заключительной стадии второй этап характеризовался совершенством механической части машин, внедрением новых машин и устройств. Процесс управления машиной обогатился приборами, автоматическими регуляторами, позволяющими вести дистанционное управление и автоматическое регулирование. Основной движущей силой развития контуров регулирования являлись: интенсификация процессов, повышение требований к обеспечению надежности регулирования и безотказности, усложнение технологических схем, рост единичной мощности, особенно быстродействия, выход на предел скорости 600-650м\мин.

Стадия 3

Для повышения скорости машин свыше 600м\мин необходимо было решить ряд взаимосвязанных задач. Наибольшее влияние на развитие контуров регулирования оказали задачи улучшения подачи бумажной массы на сетку, т.н. «мокрый конец» и интенсификация сушки полотна. В это время появляется более надежный клапан регулирования веса м² с тонким пошаговым регулированием вместо обычных клапанов, применяемых в измерительных контурах регулирования. Количество шагов регулирования начало достигать 3000 (3). Стабильно достижимое регулирование стало возможным при скорости до 900м\мин.

Обнаружилась невозможность качественного обезвоживания и формования полотна при скорости свыше 600м\мин вследствие возрастающего разрежения в сбегающем клине регистрового валика и подскока суспензии над сеткой после каждого валика из-за гидравлического удара от прорыва воздуха в разреженные полости сбегающего клина. Произошла замена на обезвоживающие элементы, позволяющие плавно регулировать процесс обезвоживания (гидропланки, отсасывающие ящики). К важным контурам регулирования с повышенными требованиями к точности регулирования добавилась система контуров отсасывающих ящиков.

Надо сказать, что и каждый новый сорт бумаги добавлял к технологическим схемам новые требования к регулированию и контурам регулирования. Добавки химикатов, формирование новых композиций, изменение состава сырья отражались на технологических схемах появлением, как новых циклов, так и обслуживающих их все более специализированных контуров регулирования.

В размольно-подготовительном отделении (РПО) особенное развитие получило применение очистителей различных модификаций, включая очистители высокой концентрации, закрытые узлоловители с гидродинамическими лопатками, сита, декулаторы и вакуумные вихревые очистители, вакуум-компрессоры. Обслуживание и регулирование работы этих элементов зависело и от качества регулирующих органов.

В настоящее время БДМ имеет свыше 350 систем контроля, регулирования и дистанционного управления. Требование к точности поддержания заданных параметров и их количество постоянно возрастали, и потребовалась автоматизация управления процессами с применением принципов сочетания многих взаимосвязанных параметров. В первую очередь стали появляться автоматизированные системы с централизованным контролем и управлением.

Другой важной задачей стало устранение потерь производительности вследствие неэффективных режимов работы машины. Большая скорость машины требует оперативного вмешательства и регулирование множества взаимосвязанных параметров. Например, изменение скорости машины одновременно требует изменения напора в напорном ящике, изменения количества волокнистой массы, поступающей в смесительный насос и т.д. Система простых регуляторов уже не справляется с этой задачей и происходит переход на более совершенную ступень автоматизации, когда управление ведется в зависимости от сложившейся ситуации.

На третьей стадии заметно проявляется тенденция к вбиранию в себя и увязке всех участков непрерывного потока, который объединяет в себе бумагоделательная машина. Создается непрерывный, с жесткими связями производственный поток, включающий размол, сортирование, очистку, составление композиции и изготовление бумаги на машине. Все отдельные подсистемы регулирования централизуются и связываются с пультами управления машиной. Эти мероприятия повысили производительность труда и общую межцеховую производительность оборудования.

Регулирование на 3-й стадии переходит от коротких обратных связей, обеспечивающих поддержание только отдельных параметров процесса на многофакторные. В первую очередь рождается многофакторное управление, в частности, на регуляторе измерения веса м2 это управление осуществляется по уравнению баланса массы.

На этом же этапе проявилась тенденция к обработке информации в местах ее появления, без передачи на обработку в центральный компьютер. Следуя за тенденцией к переходу с «макро на микро уровень», читай от централизованной обработки информации к персональным и локальным решениям в области автоматизации, большее внимание стало уделяться таким элементам как повышение откликаемости регулирующих органов. Появляются развитые системы диагностики, как в составе АСУ ТП, так и отдельно по регулирующим клапанам и КИП. В тоже время появлялось все большее число настроечных параметров. Передаваемые сигналы по аналоговым кабелям не могли справиться с одновременными требованиями как к объему передаваемых данных, повышению точности сигналов и их помехозащищенности.

Решением стало появление и активное внедрение цифровых систем регулирования Profibus и Foundation Field Bus. С появлением таких шин уровень оцифровки впервые подошел к непосредственно регулирующему органу и исполнительным механизмам. Его воплощением стали, например, цифровые позиционеры ND9000 компании Metso Automation. В настоящее время объем использования полевых шин в мире уже превысил 12% с тенденцией к максимальному росту по сравнению с аналоговыми и аналого-цифровыми системами.

Чисто практической пользой в применении цифровых систем стала возможность накапливать и обрабатывать данные по работе контуров регулирования и регулирующих клапанов, их многофакторная обработка с возможностью применения специального программного обеспечения. Появились возможности включения системы автоматизации АСУ ТП в систему автоматизации предприятия АСУП и диспетчерского управления АСОДУ. Данные теперь не терялись, а своевременно могли быть обработаны, проанализированы и получены рекомендации о той или иной неисправности, спланированы ТО и ремонты, оформлена потребность в запчастях и т.д.

С развитием понимания процессов, протекающих при регулировании, и благодаря развитию цифровых систем, контур регулирования приобретает все большую автономность, способность оценивать протекание того или иного процесса, характерного для регулирования. Результатом становится переход контура от чисто измерительного к информационно–измерительному. Связи между элементами системы становятся все менее жесткими и все более информационными.

Однако выявилась и наиболее характерная проблема внедрения новых систем автоматизации. С повышением интеллектуализации и специализации даже таких стандартных элементов как регулирующие клапаны и другие устройства КИП возник диссонанс между значительным опережением уровня техники по отношению к возможностям обслуживающего персонала. Противоречие заключалось в том, что невозможно уследить за всеми новинками техники, а иметь высококвалифицированный персонал на все устройства экономически нецелесообразно. Кстати, с высокой скоростью морального устаревания систем автоматизации это и невозможно.

Что же делать? Выход нашелся в развившемся к этому времени в более прогрессивных отраслях систем удаленной диагностики и управления на основе более совершенных автоматических контуров. Внешнее сервисное обслуживание при этом проводится специалистами компании-изготовителя или сервисной компании. Технической основой являются цифровые контуры регулирования, совершенные алгоритмы систем автоматизации с возможностью управления, диагностики и самодиагностики исполнительных устройств. Системы также подразумевали переход от ППР на прогнозирующее обслуживание по результатам диагностики. Снижение затрат владельцев БДМ обеспечивалось бесперебойной работой оборудования, долговременной эксплуатационной надежностью и полным выполнением метрологических характеристик средствами регулирования и гарантиями со стороны сервисных компаний. Снижение затрат на сервисное обслуживание достигалось фиксированием базовой цены на обслуживание по нижнему пределу, возложением обязанностей по поддержанию работы оборудования, снижению объема потребления запчастей на сервисную компанию. В настоящее время уровень аутсорсингового сервисного обслуживания на современных предприятиях по всему миру достигает до 10-18%.

Современные тенденции развития технологических схем и их влияние на контуры регулирования

Развитие технологических схем сопровождалось введением все новых элементов, циклов и обслуживающих их контуров. Так, на первой стадии приготовленная волокнистая суспензия хранилась в бассейне, откуда насосом подавалась в переливной бачок, узлоловитель и открытый напорный ящик низкого напора. Во второй стадии в схемы включаются конические мельницы для домола, песочница, цикл узлоловителей, открытый напорный ящик высокого напора. В третьей стадии цепь удлиняется и формируется непрерывный поток с размолом, очисткой, автоматической системой составления композиции, системой узлоловителей закрытого типа, декулатором и напорным ящиком закрытого типа. От периодической подготовки массы происходит переход к непрерывной подготовке волокнистой суспензии. Если в машинах первого и второго поколения подготовка полуфабрикатов и составление композиции проводилось периодически и независимо от темпов работы бумагоделательной машины, то в машинах третьего поколения операции по подготовке полуфабрикатов, составлению композиций, очистке, сортированию включены в непрерывную цепь производства и жестко связаны с ритмом работы БДМ.

В машинах 1-го и 2-го поколений волокнистая суспензия вследствие периодичности действия машины хранилась в больших выравнивающих емкостях. В машинах третьего поколения необходимость применения больших емкостей отпала.

Развитие параметров БДМ происходило неравномерно. В первую очередь заменялись наиболее слабые элементы, входившие в наибольшее противоречие с функцией производства качественной бумаги.

Наиболее важной тенденцией стало развитие адаптивных систем с обработкой сигналов на локальном уровне. Наибольшее развитие получают цифровые системы.

Тем не менее, реализация третьего этапа возможна только после прохождения 1-го и 2-го этапов. Вытеснение человека из работы машины значительно быстрее происходит с вытеснения его с уровня приложения энергии, где его силы ограничены. Вытеснение человека с уровня принятия решений происходит значительно медленнее, поскольку человек и сам является неплохой «информационной» системой.

Типовые направления развития технологических схем ЦБП

Повышение непрерывности протекания процесса.

Включает интенсификацию и повышение скорости протекания процессов, увеличение количества компонентов, обрабатываемых в одном аппарате.

Стабильность процесса и равномерность получаемого продукта.

Включает повышение качества получаемого продукта. Повышение качества процесса происходит за счет снижения нагрузки и увеличения параллельных звеньев, например, батареи центриклинеров. Устранение помех и шумов в передаче информации, регулирования и управления.

Примеры. Самодиагностика. Снижение транспортных плеч. Модернизация трубопроводов. Установка защищенных кабелей. Отказ от аналогового сигнала и замена его на цифровые системы передачи сигнала. Уход от кабелей и внедрение беспроводных систем передачи сигнала по технологии сотовой связи на промышленных предприятиях.

Передача интеллектуальных функций от централизованной системы управления к низовому уровню и в дальнейшем к исполнительным устройствам.

Усиливается внимание к снижению всех видов вибраций, пульсаций, динамических нагрузок, способных вызвать неуправляемые возмущения в потоке.

Пример. Применение полированных труб с зачищенным и полированным швом; использование труб повышенной гладкости; использование колен или гнутых участков труб вместе с прямолинейными вместо сварных секционных; использование шаровых кранов вместо шиберных заслонок и конических вентилей с целью снижения пульсаций давления из-за потери напора на гидравлических сопротивлениях. Формирование правильной геометрии массопроводов, непосредственно влияющих на формирование поля скоростей. Правильное расположение клапанов и вентилей перед напорным ящиком, поскольку они вызывают гидропульсации. Для неаэрированной массы воздух может стать дополнительной подушкой и дополнительно вызывать пульсации потока.

Интересно отметить использование возможностей самоорганизации технологического процесса.

Пример. Поддержание процесса в т.н. «центре», что позволяет снизить отклонения и потери из-за нестабильности процесса на краях поля концентраций, скоростей, давлений, температуры и т.п.

Развитие типовых и стандартизированных операций.

Это такие операции как разволокнение, очистка, растворение, смешение, размол, сгущение, сортировка, хранение, транспортировка, повышение концентрации, испарение, конденсация, тепломассообмен, деаэрация, вакуумирование, насыщение, адсорбция, промывка, обезвоживание, отжим, флотация и др. физико-химические процессы.

Развитие внутренней сложности технологических схем.

Включает увеличение числа ступеней обработки, внедрение каскадных принципов обработки, использование принципа противотока для интенсификации процессов, использование принципов разделения – фракционирования – получения однородного материала – его отдельной обработки – дальнейшего смешения и наложения с получением более управляемого и качественного материала.

Повышение степени «замыкания» схем.

Эта тенденция особенно проявляется в таких операциях как: регенерация, рекуперация, ступенчатая очистка, сортирование, возврат осветленной и подсеточной воды, формирование пароконденсатных схем с возможностью полного использования энергии конденсата, отсутствия вторичного вскипания и т.п. использование отходов и их доведение до безопасного состояния. Повышение безотходности за счет замыкания схем и использования специальных очищающих контуров очистки.

Использование замыкания все большего числа контуров в общую схему с целью полного использования его потенциала.

Пример. При промывке целлюлозы помимо свежей воды предусмотрено максимальное использование оборотной воды. Для утилизации тепла оборотных вод предусматриваются теплообменники, в которых свежая механически очищенная вода нагревается до 40оС и используется в системе повторного водоснабжения. На подслой фильтра для улавливания волокна используется брак после пульсационной мельницы. Осветленная вода используется на спрысках сгустителей брака, дискового фильтра, на спрыски в сеточной части и отсасывающих валов. Мутный фильтрат возвращается на дисковый фильтр для повторного осветления. Разбавление многих полуфабрикатов, например, бумажной массы после подмола проводится регистровой водой.

Использование совмещения блоков.

Пример. Вихревая очистка совмещается с декулатором, где проводится деаэрация. Очистители 3-й ступени могут иметь регуляторы количества отходов.

Переход вспомогательного оборудования в основное в виде подсистемы.

Пример. Замена последовательного соединения элементов одновременной обработкой несколькими процессами или максимальное устранение транспортных трактов и плеч между участками технологического процесса.

Ступенчатые схемы.

Пример. Бумажная масса, поступившая на машинный бассейн из массоподготовительного отдела, направляется в дисковую мельницу для подмола.

Предварительная обработка сырья и массы с целью получения большего эффекта. Пример. Предварительная кислородно-щелочная обработка перед отбелкой позволяет исключить ступень опасной гипохлоритной отбелки и снизить расход хлора и каустика.

Пример. После выхода массы перед деаэратором устанавливают вихревой очиститель для повышения содержания воздуха в массе и более эффективного его удаления.

Интенсификация технологического процесса.

Включает повышение концентрации и необходимость разработки специальных клапанов для реализации течения массы средней концентрации, увеличение количества используемых химикатов, добавок, ингибиторов и др. Повышение давления, температуры, концентрации, агрессивности обрабатывающих сред, скорости потока, использования внутренних физико-химических эффектов, например, эндотермических, экзотермических реакций, изменения растворимости с температурой и давлением, адсорбции-десорбции и др. Использование пульсационных процессов и схем обработки, закономерностей образования и течения флоккул и флокулярного течения массы. «Химизация» и «биологизация» технологических схем.

Пример. Применение все большего числа химикатов, биоцидов. Сведения о производстве целлюлозы биологическими методами при помощи бактерий. Способ «варки» целлюлозы, когда слона кормят определенными волокнистыми травами, получая «на выходе» хорошо подготовленное целлюлозное волокно.

Последовательное применение "обрабатывающих" полей

Работает определенная последовательность в развитии применения тех или иных силовых «полей».

Пример. Для создания перепада давлений сначала используют гравитационный перепад под действием силы тяжести, далее увеличивают разницу давлений за счет столба жидкости, насосов с использованием не только гидростатического, но и гидродинамического напора и т.п.

Замена гравитационных систем перетоков значительно более управляемыми динамическими напорными системами.

Пример – насос и вентилятор.

Пример. В горении развитие шло по очевидной цепочке: воздух – воздушное напорное дутье – кислород – озон – переход к другим окислителям (и пиролиз) – ионизированные окислители – плазма. При этом процесс управления горением включал в себя следующие стадии: неуправляемое горение – управление подачей горючего и окислителей (современный этап) – непосредственное управление процессов горения (катализаторы, тепловые, механические, электрические воздействующие поля).

Поиск и использование вторичных ресурсов.

В случае невозможности их прямого использования – предварительная обработка. Замена высококачественного сырья низкосортным. Восполнение недостатка за счет установки дополнительных узлов и контуров в основную технологическую схему.

Пример. Вывод грубых загрязнений на первом этапе, постадийная очистка.

«Динамизация» технологических схем

Пример. Использование вакуумного фильтра- сгустителя вместо гравитационной решетки.

Использование одного элемента технологической схемы для нескольких операций. Пример. Использование вакуум-сгустителя для целей промывки.

Замена инерционных элементов технологических схем на более динамические.

Примеры. Замены инерционных бассейнов на сосуды меньшей емкости, с переходом к динамическому управлению при помощи автоматических регуляторов. Внедрение систем сгущения-разбавления и включение специальных измерительных устройств в технологический процесс для гарантирования показателей массы. Устранение крупных емкостей на обработку в процессе транспортировки суспензии. Пример – смешивание по технологии Lobemix в статическом смесителе вместо смешения в отдельном баке с мешалкой.

Специализация и интеграция контуров регулирования в оборудование и процесс. Выделение агрессивной обработки в специальный блок на технологической схеме с возможностью лучшего контроля. Развитие специализированных измерительных контуров и выделение их из общих технологических контуров регулирования. Выделение стандартных модулей их стандартизация и унификация, выделение специальных контуров и типового оборудования и нестандартного оборудования.

Пример. Контур регулирования расхода традиционно состоит из 2-х регулирующих клапанов и 4-х отсечных, объединенных в один агрегатированный узел.

Увеличение числа вспомогательных контуров, обеспечивающих лучшее выполнение функций основными. Интеграция с целью повышения надежности.

Пример. Обработка на некоторых узлах, см. пример выше – вакуумный сгуститель идет при вращении одного барабана с разными участками, которые раньше выполнялись последовательно. При такой интеграции достигнут и еще один «сверхэффект» – повышение надежности, поскольку были устранены дополнительные материальные связи между контурами, вносившие свои возмущения.

Стремление к повышению гибкости работы каждого элемента схемы.

– возможности сочетания параметров и "погашения" нестабильных параметров между предыдущей и последующей ступенью схем; обеспечение наиболее стабильного качества на выходе из каждой ступени на последующую; формирование дополнительных контуров, снижающих воздействие одной ступени на другую, если невозможно устранить вредный эффект, появившийся на предыдущей ступени.

Общие тенденции – снижение размеров и «компактизация» технологических схем, учет особенностей течения и реологии волокнистых суспензий, снижение гидравлических сопротивлений потоку, использование физико-химических и геометрических эффектов и особенностей протекания среды по гидротранспортным системам. Повышение управляемости технологического процесса за счет более совершенных контуров регулирования.

1.2. Закономерности развития технологических схем и контуров регулирования

Повышение степени идеальности технологических схем ЦБП

Определяя развитие технологических схем, можно сказать, что они, как и любая техническая система, двигаются в направлении повышения их «идеальности». При этом это возможно как за счет увеличения числа выполняемых полезных функций, так и уменьшения затрат и снижения вредности. Оптимальные решения достигаются при одновременном росте «полезности» и снижения «вредности».

Основными тенденциями в рамках уже существующих технологических схем являются следующие (4):

«Дотягивание» – доведение функций до требуемого уровня.

Пример. В связи с ростом непрерывности процесса подготовки массы наиболее часто подвергаются вытеснению элементы схем, работающих периодически. При невозможности получить качественный материал, вводятся новые контуры регулирования.

«Выжимание» – снижение издержек за счет оптимизации.

Пример. Применение вторичного сырья, стандартизация и унификация элементов схемы, исключение избыточных звеньев технологии, повышение управляемости отдельных циркуляционных схем, использование замкнутых циклов с возвратом оборотных вод, осветленной воды и т.п.

«Коррекция» – компенсация вредных функций.

Пример. Введение флотационных установок как для очистки воды, входящей в технологическую схему, так и для очистки сбросных вод. Применение шламовых прессов в схеме. Перевод открытых участков технологических схем на замкнутые, далее замкнутых на циркуляционные.

«Универсализация» – увеличение количества выполняемых полезных функций и включение функций других систем.

Пример. Контур сгустителя может работать и как узел промывки при минимальных модернизациях.

«Специализация» – усиление каких-либо полезных функций при отказе от других.

Пример. Специализация технологической схемы на обработке вторичного волокна из макулатуры.

«Повышение единичной мощности» – наиболее характерная тенденция, связанная с принципами формирования технологических схем для массовой продукции, и дает существенную экономию на масштабе. В связи с резким повышением требований к обеспечению непрерывности процесса при минимальных простоях, повышению надежности и исключению человеческого фактора является одной из ведущих при внедрении системы управления и контуров регулирования.

В дополнение можно сказать, что степень идеальности может быть повышена и поэлементным анализом каждого участка технологической схемы. Традиционно внимание конструкторов и технологов привлечено к основным элементам схем, в результате чего вариант выполнения вспомогательных участков выбирается почти случайно. Так, повысив внимание к вспомогательным, второстепенным и вредным функциям можно добиться эффекта, сравнимого с эффектом от повышения эффективности основных функций.

Пример. Анализ, проведенный специалистами Metso Automation, показал, что 2% капиталовложений в автоматизацию по каждой из 6 БДМ в компании UPM Kummene, могут привести к суммарному повышению эффективности и производительности на 15%, что равносильно отказу от покупки 7-й БДМ.

В случае установки нового эффективного оборудования в технологической схеме будут накапливаться противоречия, выражающиеся в том, что будут проявляться сбои на наиболее слабых участках, не способных эффективно обслуживать новое решение. Однако, также хорошо известно, что сильные решения долго не внедряются, тогда как основное развитие получают не самые эффективные решения.

Пример. Давно известно, что цифровые позиционеры дают значительно больше полезных функций по сравнению с аналоговыми. Однако, в связи с неготовностью других подсистем к их внедрению они, даже приходя с проектом на ЦБК, вытесняются со временем аналоговыми позиционерами.

Использование ресурсов в технологических схемах

В технологических схемах велико значение ресурсов и их использования. Так, на выходе лучшая технологическая схема «сама» пытается полностью извлечь полезный эффект из обрабатываемой массы и материала.

Одновременно решаются задачи использования внутренних производных ресурсов и извлечения из них максимального эффекта.

Пример. Установка флотоловушек между операциями. Возврат теплой оборотной воды на разбавление и гидроразбиватель. Возврат брака и его размол с возвращением его в процесс.

Пример. Применение гидроразбивателей высокой концентрации не в маловажной степени связано с тем, что масса высокой концентрации, перетирая себя сама, значительно лучше дефибриллируется. Поскольку масса высокой концентрации не может течь, для ее движения применяют ротор с возможностью ее проталкивания на турбосепаратор, расположенный прямо под ним. Дополнительно используется и само давление столба массы под действием поля гравитации. Разбавление происходит непосредственно перед турбосепаратором.

Другими видами ресурсов технологических схем могут быть ресурсы пространства.

Пример. Уменьшение транспортного плеча в технологических схемах, компактизация схем позволяет уменьшить среднюю длину перекачки массы, общее значение гидравлических сопротивлений и снизить потребление энергии насосами.

Пример. Интересным примером внедрения поворотных заслонок вместо задвижек являются не только технические преимущества, связанные с лучшей регулируемостью, но в значительной степени резкое уменьшение строительной длины. При этом при полном перерасчете можно показать, что основной эффект достигается за счет уменьшения общей длины трубопроводов и уменьшением подпора насосов и их энергопотребления.

Ресурсы информации. Это наиболее близко связанный с регулированием ресурс. Он может быть получен как от КИП, централизованной системы, визуального осмотра, оценки шумов, вибродиагностики и т.д. По ним можно судить о состоянии контуров и работоспособности схем.

Ресурсы времени. Это временные промежутки в технологическом процессе, также до и после него, между процессами, не использованные ранее. Одним из применений является обработка в процессе транспортировки.

Примеры. Статическое смешение по технологии LobeMix.

Составление композиции в процессе подачи химикатов.

Замена периодических процессов на непрерывные.

Передача информации в виде импульсов с заданной периодичностью и в сжатом виде в полевых шинах.

Другие ресурсы – функциональные. Это возможности системы выполнять по совместительству дополнительные функции как близкие к основным, так и неожиданные.

Пример. Вихревой очиститель, установленный у деаэратора, позволяет повысить концентрацию воздуха в массе перед ее удалением и повысить степень удаления воздуха в целом.

Регулирующий клапан с антикавитационным элементом Q-trim способен не только снижать кавитацию, но и приводить поток к ламинарному состоянию, что снижает вероятность формирования узелков.

Небольшие приспособления на регулирующих заслонках позволяют использовать энергию потока на закрытие, существенно снижая поворотный момент.

Системные ресурсы. Это новые полезные свойства, которые могут быть получены при изменении связей между подсистемами или при новом способе объединения систем.

Пример. Чтобы клей не застывал в трубопроводах при подаче в композиционный бассейн, обеспечивают его рециркуляцию.

Использование вредных веществ или следствий технологии.

Пример. Насосы всегда заглубляются, чтобы поток вязкой среды одновременно служил и подпором, снижая вероятность кавитационного режима.

Удаляемая паровоздушная смесь от сушильной секции рекуперируется и нагревает воду или входящий свежий воздух.

Развертывание технологических схем

В своем развертывании технологические схемы прошли несколько основных этапов. Рассмотрим их на примере БДМ и РПО.

Этап 1 – формирование функционального центра. На этом этапе сформировалась основная функциональная цепочка из подсистем (разволокнение, налив, обезвоживание, сушка, накат). Они выполняли лишь основную функцию изготовления бумаги. Вредные элементы, вещества, процессы, сформированные на предыдущем этапе, подлежало компенсировать. Это дало толчок к развитию подсистем технологических схем. Так, появляется пресс; сушильная часть облекается сушильными цилиндрами; обезвоживающий стол сетками на регистровых валиках. Части системы обвязываются энергетической, функциональной и информационной связью. Это стало очевидным с переходом к полностью непрерывному процессу и увеличением скорости.

Развитие пошло от функционального центра и к периферии. Каждый из основных улов функционального центра начал обрастать своими подсистемами.

Пример. Введение регулирования в каждом основном компоненте.

Появление сукноведущих систем в участке обезвоживания.

Появление напускного устройства между 2-мя основными узлами. Дальнейшее его развитие в напорный ящик.

Появление отсасывающих валов на этом участке. Формирование участка разволокнения в непрерывном режиме.

Включаются дополнительные подсистемы, расширяющие возможности.

Пример. Турбосепаратор в узле разволокнения. Узел очистки и сортирования. Увеличивается число ступеней и уровней в технологической схеме, за счет ее внутрисистемного дробления путем разделения ее на однородные подсистемы либо разнородные разнофункциональные системы.

Пример. Увеличение ступеней сортирования и очистки. Каскады центриклинеров. Разделение очистки на очистку от грубых и легких включений.

Следующим этапом становится переход к ретикулярной сетчатой системе.

Пример. Сигналы обрабатываются в месте их появления, намечается переход от централизованной системы обработки информации к матричной.

Эта возможность также становится явной в связи с заменой основных управляющих связей от механических с переходом к информационным.

Пример. Все пульты управления 60-х годов строились в основном на пневмомеханизмах. В настоящее время характерны электрические сигналы по кабелям. В ближайшем будущем они трансформируются в полевые шины с цифровой передачей сигнала. Уже в качестве каналов передачи управляющих воздействий используют оптико-волоконные кабели со значительно более высокой интенсивностью передачи сигнала. На ряде современных предприятий установлены беспроводные системы передачи данных на основе сотовой связи.

Таким образом, развитие систем поддержки сигнала управления приходит к максимальной идеализации. «Кабеля нет, но его функция выполняется».

В схеме и ее элементах происходит одновременно и создание целых комплексных агломератов, в дальнейшем формирующих надсистему. Так, РПО начинает развиваться как самостоятельный комплекс в составе надсистемы БДМ.

Сначала это объединение из разнородных элементов, дающих новые системные свойства.

Пример. На первом этапе вихревого очистителя использовались решения, пришедшие из технологии центробежных очистителей. В дальнейшем они развивались специально под технологию очистки волокнистых суспензий.

Системы начинают создаваться также и из одинаковых или однородных подсистем.

Пример. Простейший случай – батареи центриклинеров.

В технологические схемы включаются и отдельные участки со сдвинутыми свойствами.

Пример. Так, комплекс очистки, промывки и сортирования, близкий по выполняемым функциям формирует единый технологический поток на предприятиях

В случаях, когда для выполнения функции были использованы несколько путей, и они исчерпываются, происходит их объединение с целью достижения синергетического эффекта. Недостатки каждого способа компенсируются, преимущества складываются.

Пример. Для поддержания рН среды ее сначала избыточно окисляют, а потом снимают остаток щелочной обработкой.

Пример. Поскольку трудно подать точное количество среды, используют переливные устройства, системы рециркуляции, где сначала подают избыток среды, а избыточную часть отводят.

В целом такие решения позволяют повысить именно управляемость и стабильность выполнения технологического процесса, произвольно менять его параметры в широком диапазоне.

Пример. Для получения пара с параметрами влажности в широком диапазоне (насыщенный, влажный, сухой, перегретый) используют редукционно-охлаждающие установки (РОУ) с подачей одновременно и воды и пара.

Свертывание технологических схем

С развертыванием и усложнением технологических схем одновременно идет и процесс их свертывания. Если минимальным свертыванием можно принять создание связей между отдельными узлами, то полным будет установление неразделимых связей.

Пример. Если ранее РОУ (редукционно-охлаждающая установка) состояла из 4-х клапанов подачи воды и пара и форсунки, то теперь они объединены в одном корпусе. Расчет проводится при этом по более сложным формулам, степень повышения качества работы такого РОУ значительно выше, чем РОУ состоящего из нескольких элементов.

Повышение динамичности и управляемости технологических схем

Как говорилось раньше, идеальная технологическая схема – когда ее нет, но ее функция выполняется. Важной частью процесса перехода к идеальной системе является повышение ее динамичности и управляемости, т.е. способность к целенаправленным изменениям, обеспечивающих улучшение адаптации, приспособление системы к меняющейся и взаимодействующей с ней средой. Важнейшим способом устранения противоречий в системе является превращение постоянного неизменного параметра в переменный, управляемый. Так, в технологическую схему могут встраиваться различные новые и сменные элементы.

Пример. Расходное оборудование в технологическом оборудовании.

– сита в сортировках,

– гарнитура и ножи у размольных мельниц,

– модульное и блочное исполнение элементов автоматизации для легкой смены и установки более совершенных новых элементов.

Увеличивается степень степеней свободы.

Примеры. Важнейшим принципом в регулировании становится возможность расширения диапазона регулирования.

Регулирующий клапан MBV серии Neles в настоящее время выполняется с изменяемой шарнирной связью между штоком и поворотным затвором, тогда как раньше это была единая литая конструкция (серия Р).

Уплотнение в клапане в настоящее время выпускается в версии повышенной эластичности, способной выдержать значительно большее число циклов, чем предыдущая версия.

Если раньше использовались крупные резервные емкости для обеспечения надежности и непрерывности технологического процесса, то в настоящее время это делается все больше и больше средствами автоматического регулирования.

Происходит переход на микроуровень.

Примеры. Химизация обработки массы при применении все большего и большего числа химикатов.

Элементы технологических схем имеют тенденцию к уменьшению размеров за счет применения все большего числа видов физико-химической обработки материала.

Пример. Электрическое поле, приложенное к топливу перед подачей его в форсунку СРК или котел, позволяет до 15% получить большую эффективность горения и формирования факела.

Пример. Для точного регулирования используют основной регулирующий контур, осуществляющий грубое регулирование и малый контур, сопряженный с первым для осуществления окончательного регулирования.

Видится и переход к системам, в которых изменяются и становятся динамичными различные воздействующие на процесс поля.

Пример. Гидрокавитатор с применением полей сжатия и разрежения позволяет лучше фибриллировать волокна перед обработкой.

Пример. Вихревой очиститель с применением центробежных сил обеспечивает лучшее отделение тяжелых и легких включений.

Пример. Понимание реологии истечения суспензий позволяет спроектировать лучшие напорные ящики, обеспечить лучшее регулирование и т.п.

Пример. Регулирование входных и выходных давлений в сушильном цилиндре позволяет снизить неуправляемое появление конденсата внутри с образованием конденсатного кольца, снижающего теплопроводность и эффективность сушки бумаги.

Пример. Для высокоточного регулирования веса м² используют информационное поле (специальные подпрограммы и алгоритмы устранения колебательности контура регулирования).

Тенденция разделения на быстропротекающие и медленно протекающие процессы в настоящее время с переходом к непрерывности процесса все больше будет склоняться в сторону быстропротекающих процессов. Для этой цели в технологический процесс и технологические схемы будут вводиться специальные узлы и вещества, способствующие ускорению реакций. Также будет происходить и замена периодически действующего оборудования.

Пример. Гидроразбиватель периодического действия имеет цикл до 15 мин. Барабанный гидроразбиватель работает непрерывно.

Повышение управляемости технологических схем

Предусматривает:

Принудительное управление в виде введения управляющих веществ и устройств.

Примеры. Введение регулирующей и запорной арматуры на прежде нерегулируемых участках.

Пример. Введение управляющих полей – например, в датчиках концентрации, где оптическое поле позволяет работать в области низких концентраций, и где применение механические полей невозможно.

Введение хорошо управляемого процесса, действующего против основного, которым нужно управлять.

Пример. Введение катализаторов, ингибиторов.

Введение подпора и противодавления.

Введение термоциклирования. Введение гидрокавитаторов.

Циклы ускорения процесса, его замедления, нагрева-охлаждения, повышения числа рН или уменьшение (кислотности – щелочности).

Введение самоуправления и самообслуживания.

Пример. Концентрация среды, изменяя давление и нагрузку в рафинере, позволяет лучше управлять размолом.

Введение обратных связей – наиболее характерный способ избежать колебаний в процессе. Замыкание контуров, смыкание контуров для взаимоконтроля или получения показаний от одного контура к другому – одно из наиболее эффективных решений.

Примеры. Специальные подпрограммы в системе автоматизации, координирующие действия контуров между собой.

Изменение устойчивости

От системы с одним статически устойчивым состоянием в системе осуществляется переход с несколькими устойчивыми состояниями и далее к системам, устойчивым динамически.

Пример. Стабильность техпроцесса технологи ставят выше качества его выполнения. Среднее качество при стабильном процессе лучше, чем нестабильное при высоком качестве выходного продукта.

Формирование устойчивости за счет движения, проходящего через систему, потока энергии, информации, управления. В идеале, как и в современных самолетах, устойчивость будет нулевой, а стабильность и безопасность работы будет обеспечиваться непрерывной работой автоматов и регулирующих воздействий. Этим обеспечивается максимальная динамичность.

2. Развитие контуров регулирования в составе технологических схем

Как уже ясно, контуры регулирования развиваются под влиянием требований технологических схем.

Чтобы не вдаваться в подробности развития структуры контуров, можно сказать, что они в полной мере соответствуют требованиям каждого этапа развития типовых технологических схем. Из факторов, наиболее значимо влияющих на развитие контуров регулирования, можно выделить время выполнения задания, точность поддержания того или иного параметра, особенности переходных процессов и стабильность. Также, как и для БДМ 3-го этапа, контуры регулирования начинают применять специальные программные алгоритмы для устранения недостатков регулирования, в частности большое применение находит подбор того или иного закона регулирования, выявления передаточных функций, алгоритмов снижения или устранения переходных процессов по амплитуде и времени. От регулятора с прямыми механическими связями регуляторы переходят к более гибким энергетическим и информационным связям (пневмосистемы, гидросистемы), далее управление переходит и к сервоуправлению (силовые источники управления) и, наконец, прямое управление полностью заменяется информационным по схеме – аналоговый сигнал, аналогово-цифровое управление (HART протокол) и далее развитие приближается к цифровому сигналу на основе полевых шин Profibus. Как уже было сказано выше, в дальнейшем связи совсем исчезнут, заменяясь беспроводной связью.

Процессы в контуре, проходящие в связи с традиционными переходными процессами и особенностями поддержания требуемого параметра, можно найти в литературе. Для оптимизации контуров стали использоваться многопараметрические уравнения и алгоритмы. В частности в настоящее время специальное программное обеспечение помогает осуществить точное позиционирование клапана регулирования веса м². По сравнению с точностью обычного регулирующего клапана в составе контуров регулирования (0,2%) точность выросла до 0,007%, т.е. увеличилась почти в 30 раз. Таким образом, снизилась колебательность процесса. Как мы помним, она является главной проблемой технологического процесса, связанного с регулированием. Также продолжается работа над уменьшением переходных процессов по времени и амплитуде, расширением диапазона, в котором может работать контур, снижением вероятности автоколебаний и других процессов. Особенное внимание, также как и в технологических схемах, уделяется повышению надежности, долговременной стабильности, сохранению уровня погрешностей в длительном периоде эксплуатации, возможности самодиагностики контура. Особенное значение приобрела необходимость со стороны технологических схем к повышению динамической устойчивости регулирования.

С развитием этой тенденции контуры начали переходить от прямых связей и непосредственного регулирования к регулированию при помощи информационных связей. Характерным был уход от автоматических регуляторов прямого действия к регуляторам с логической связью и контроллерами, обеспечивающими контроль выполнения функций. Выделение функции управления в контурах продолжает расти, дополняясь различными настроечными параметрами, выполняя вводимые новые полезные функции, контролируя и развивая системы сообщений о различных неисправностях, отклонениях, предотвращая аварии контура.

На работу контуров регулирования сильное влияние оказывают необходимость выполнения законов согласования работы отдельных участков технологической схемы между собой. Альтернативой может быть и рассогласование. В развитии контуров регулирования прослеживаются следующие основные этапы.

Прямое согласование – когда изменение одного параметра требует пропорционального изменения другого.

Обратное согласование – изменение одного параметра требует нелинейного изменения другого.

Однородное согласование – согласуются однотипные параметры, например, давление – давление, расход-расход.

Неоднородное согласование – согласование разнотипных параметров. Пример: Расход воды – расход пара. Расход воды – температура пара.

Внутреннее согласование – согласование параметров с надсистемой, т.е. с теми параметрами участка технологической схемы, куда входит контур регулирования. Пример. Выбор компонентов контура по долговечности всей системы в целом для обеспечения одновременного выхода на ТО (техобслуживание).

Внешнее согласование – согласование параметров системы с внешней средой. Пример. Учет особенностей протекания массы, общей вибрации по трубопроводу, условий эксплуатации и загрязненности среды сернистыми соединениями.

Непосредственное согласование – согласуются контуры регулирования, связанные между собой. Например, контур разбавительной воды, контур датчика концентрации после машинного бассейна.

Если сначала это было принудительное согласование, то в дальнейшем – это согласование с помощью специально вводимых согласующих звеньев и, наконец, – самосогласование – согласование за счет того, что системы могут работать в одном режиме.

Начав с одного функционального центра – контура регулирования веса м², клапаны точного регулирования начинают свое триумфальное шествие по всей технологической системе.

Согласование по ритму технологического процесса

Для согласования работы схемы в целом, контуры должны согласовать свою ритмику, все контуры должны соответствовать ритму и темпу обслуживаемого технологического процесса.

Пример. Подача воды на разбавление должна соответствовать подаче массы с определенной концентрацией.

Одновременно для других случаев потребовалось и рассогласование.

Пример. Изменение строительной длины регулирующего клапана в трубопроводе позволяет отстроить амплитуду его собственных колебаний (виброактивность) от амплитуды колебаний трубопровода и пульсаций массы, тем самым расстроить возможный вход в резонанс.

Динамическое согласование.

Пример. Определение концентрации в одном контуре позволяет прогнозировать подачу разбавляющей воды в другом контуре.

Самосогласование.

Часто контуры настраиваются на один режим в результате слабых управляющих воздействий, что в целом повышает стабильность регулирования и технологического процесса.

Согласование по структуре контуров регулирования в технологических схемах.

Контуры в системах должны быть согласованы.

Пример. Неудачи с продвижением сложного контура регулирования веса м² для небольших предприятий связана, в т.ч. и с тем, что такой контур не поддерживается другими контурами, которые должны обеспечивать его работу. Системы с резко отличающимся уровнем сложности плохо взаимодействуют между собой.

Далее, если на первом этапе развивается установка согласующих промежуточных контуров, то далее они все больше исключаются. Они поглощаются как узлами оборудования, входя в них в качестве подсистемы регулирования, так и заменяются совсем.

Пример: регулирующие клапаны в составе установки РОУ в настоящее время заменяются одним специализированным контуром РОУ.

Стандартизация элементарных частей контура.

Это стандартизация датчиков, протоколов, типов кабелей, типов алгоритмов и регулирующих клапанов.

Пример. В простой котельной уровень унификации исполнения узлов регулирования по схемному решению может достигать 40-60%.

Общее направление развития – от использования однотипных контуров к переходу к модульным конструкциям.

Пример. Современные участки трубопровода для установки регулирующих клапанов стандартизированы. Их легко выбрать по таблицам.

Рассогласование.

Также важно отметить, что одновременно в связи с различными условиями работы контуры будут дифференцироваться. Они стремятся стать оптимальными для обслуживания технологического процесса по различным параметрам (концентрация, давление, температура, состав, скорость обработки информации). Так выделяются специализированные и критические контуры регулирования.

Динамическое согласование.

Переход к динамическому согласованию различных контуров регулирования.

Пример. Барабанный сгуститель зависит от согласованной работы до 6 контуров регулирования одновременно. Такие же требования налагаются и на напорную сортировку (не менее 3-5 контуров регулирования) и вихревой очиститель (не менее 3-х контуров и специализированный контур отвода отходов).

Наиболее эффективны решения, в которых происходит самосогласование контуров. В этом случае необходимо применять как математические модели, так и физико-химические эффекты.

Пример. Прогнозирующий алгоритм при регулировании веса м² позволяет устранить перерегулирование.

Пример. Обеспечение работы клапана в кавитационной области позволяет избежать гидравлического удара.

Пример. Для обеспечения регулирования воды в небольших отводах гидравлической схемы при значительном изменении расхода в главном трубопроводе, они могут быть расположены под таким углом, и вход в ответвления может быть выполнен так, что создаются завихрения и турбуленции. Они ограничивают приток жидкости. Создается автоколебательный режим, также ограничивающий приток жидкости.

Согласование по потоку

Технологическая схема работает по принципу согласования и неразрывности потока по уравнению материального баланса. Контуры также должны отвечать этому требованию по пропускной характеристике, входным и выходным сигналам, быстродействию, отсутствию шумов, помех и колебательности.

Согласование по потоку будет выглядеть как настройка контуров регулирования на передачу потока от одного участка к другому с минимальным нарастанием погрешности и отклонений от основного номинального значения.

Согласование по надежности

Используются принципы равнонадежности основных стандартизированных контуров. Далее вводятся специальные элементы контроля за надежностью (концевые выключатели), устройства с пониженной надежностью (работа в кавитационной области во избежание гидравлического удара), установка специальных бустерных устройств с целью обеспечения быстрого открытия-закрытия устройства; самодиагностики (самодиагностика клапанов в пределах контура для выявления вероятности залипания и несрабатывания в аварийных клапанах, самодиагностика для выявления накопления скрытых неисправностей с целью повышения длительной эксплуатационной надежности.

Важно отметить, что в рамках самого контура должно обеспечиваться согласование взаимодействия датчика и регулирующего органа с исполнительным механизмом.

Специализация контуров

В составе технологических схем началась значительная специализация контуров. В зависимости от участка контуры регулирования начали все больше соответствовать выполняемой функции. От выполнения универсальных функций регулирующие клапаны начали рассчитываться на соответствие условиям применения. Гарантии производители начали давать только по результатам заполнения опросных листов и расчета. В первую очередь приоритетное развитие получают контуры регулирования концентрации и наиболее критические контуры регулирования.

Под критическим контуром регулирования понимается контур, в котором небольшое изменение входных параметров приводит к недопустимо большому колебанию выходных параметров, которые не могут с достаточной степенью точности и в допустимых пределах устранены контуром регулирования, в основном из-за недостаточной точности регулирующего органа и исполнительных механизмов. Примеры. Наиболее часто – это контуры концентрации и разбавления, однако, ими могут быть и другие контуры. Так, например, сгущение представляет собой с точки зрения контуров регулирования сложную динамическую взаимосвязь нескольких качественно различных контуров. Но в результате сгущения технологически могут быть утеряны достоинства, например, фракционированной массы. Это равносильно тому, как если все слить в один бак. Для получения того же качества среды после такого сгущения придется практически заново проводить регулирование.

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

Табл. 3. Классификация контуров по критичности технологического процесса

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

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

В составе технологических схем:

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

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

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

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

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

– уменьшение компенсирующих и резервных элементов, например, емкостей хранения

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

– необходимость оптимизационных пакетов.

В составе элемента технологического оборудования:

– увеличение требований технологических гарантий

– повышение степени эксплуатационной готовности

– динамическая адаптация

– минимизация аварий и безопасность при аварийных режимах

– снижение колебаний при переходных процессах

– требование увеличения срока безостановочной работы

– специализация контуров регулирования по типу обслуживаемого участка техпроцесса.

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

– выделение измерительных контуров регулирования, критических и специализированных контуров регулирования

В составе измерительного комплекса:

– согласование характеристик клапана с измерительным прибором в составе контура регулирования

– выделение критических и специализированных контуров регулирования

– автоповерка на эффективность регулирования по заданным технологическим параметрам

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

В составе элемента технологического процесса и клапанного хозяйства:

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

– повышение надежности клапанов и самодиагностика

– интеллектуализация клапанов

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

– переход на внешнее сервисное обслуживание.

3. Развитие регулирующих клапанов в составе контуров регулирования

Часто арматуру не рассматривают как существенную часть систем автоматизации, ограничивая названием «звено регулирования» или «исполнительный орган (устройство)». Однако, в зависимости от уровня используемой арматуры, можно либо получить требуемое качество и характеристику регулирования, либо постоянно испытывать проблемы с колебательностью процесса, погрешностью регулирования и т. п.

Ниже мы проведем небольшой экскурс в развитие регулирующей арматуры в составе контуров регулирования и попробуем определить эффективность применения поворотной арматуры в них при замене арматуры с линейно-поступательным перемещением штока.

КОНТУРЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ

Первым контуром регулирования был механический контур с регулятором прямого действия с непосредственным регулированием. На многих старых предприятиях еще можно встретить контуры регулирования с использованием рычажных механизмов с механической связью элементов между собой. Рост скорости проводимых процессов с увеличением давления в потоке и требований к быстродействию регуляторов приводил к значительному усложнению, как клапанов, так и конструкций, обеспечивающих их движение. В частности, это проявилось в сложной связи клапана с грузами или пружинами для обеспечения регулирующего воздействия.

Стал более заметен и другой недостаток прямых регуляторов – их неспособность строго поддерживать заданное значение регулируемой величины при различных нагрузках объекта. В дальнейшем этот дефект, названный «статической ошибкой» или «неравномерностью регулирования», так и остался не решенным в рамках механических регуляторов и регуляторов прямого действия. Например, прямой регулятор с мембранным механизмом может иметь ошибку позиционирования до 20% при отсутствии корректирующей обратной связи.

Чтобы улучшить точность регулирования, пытались увеличивать длину рычагов. Однако это приводило к потере устойчивости системы регулирования и появлению расходящихся колебаний регулируемой величины. Видя основную причину во внутреннем трении, конструкторы пытались снизить само трение. Однако это не решало проблемы в связи с тем, что устойчивые процессы с минимальной остаточной неравномерностью регулирования не достигались в рамках пропорционального способа регулирования. Повышения точности систем с пропорциональным способом регулирования не происходило и при использовании многих других конструкторских ухищрений.

Чтобы устранить астатизм в системах регулирования с пропорциональными регуляторами, начали вводиться принудительные виды согласования, в частности, приводы с подводом внешней энергии и корректирующей обратной связью. Корректирующая обратная связь сформировала приемлемый алгоритм функционирования регулятора. Так появился регулятор непрямого действия с внешним подводом энергии для управления контуром, состоящим из измерительного элемента, привода и элементов демпфирования и коррекции, например, пружин в пневмоприводе. В настоящее время его схема широко применяется в аналоговых пропорционально-интегральных (ПИ) регуляторах.

Как видно, пропорциональный (П) регулятор, рассмотренный нами на основе жестких механических связей «свернулся» и стал частью более совершенного ПИ–регулятора, который за счет интегральной составляющей обеспечивает сведение ошибки пропорционального регулирования в установившемся режиме к нулю. Необходимость уменьшения переходных процессов и снижение влияния разгона регулятора при приближении к заданному значению сигнала были разрешены в рамках развития ПИД–регуляторов, использующих при формировании управляющего сигнала дополнительно величину скорости изменения сигнала ошибки.

Хотя названия ПИД, ПИ и П–регуляторов были введены только в 50-х годах, они стали типовыми и в настоящее время также широко используются, наряду с более современными вычислительными алгоритмами. Такой механизм отлично вписывается в человеко-машинную систему, моделируя типовые действия оператора при обнаружении отклонений.

Множество связанных между собой объектов регулирования в рамках регулирования одной регулируемой величины привели к необходимости одновременного расчета нескольких контуров регулирования. В результате стало важным согласовывать связи между различными контурами для реализации закона регулирования по единым протоколам, воспринимаемым всеми элементами многосвязного контура. Такие задачи часто встречаются в тепловых схемах ТЭС.

Переход к сложным многосвязным контурам в свою очередь знаменовал качественно новый этап развития систем регулирования, поскольку речь шла о переходе от регулирования отдельно взятых элементов к комплексному управлению сложным технологическим процессом. Состояние такого процесса характеризуется большим количеством регулируемых величин, имеющих различную природу, и которые постоянно изменяются под воздействием случайных неконтролируемых возмущений.

Возможность строгой синхронизации всех контуров между собой была одной из предпосылок создания непрерывных процессов высокой производительности. Лучше всего в контуре этому отвечали не механические, гидравлические или пневматические связи в контуре, а электрические. Связь между измерительным элементом и клапаном опосредствуется электрическими сигналами, развиваясь по схеме: «Аналоговый сигнал» – «Аналогово-цифровой сигнал» – «Цифровой сигнал». Техническим средством для этого стал переход от электронных ламп к полупроводникам и далее к микросхемам, чипам и мощным микропроцессорам. В дальнейшем, с ростом объема передаваемой информации, ожидается переход на оптико-волоконные системы передачи сигналов, а с развитием промышленной беспроводной связи и переход к сотовой системе. Ряд крупных электростанций за рубежом уже оборудован подобными системами.

Переход с аналогового сигнала на цифровые протоколы на верхнем уровне системы АСУ ТП создали основу для полной «оцифровки» контуров регулирования. С этого момента начинает развиваться информационная составляющая контуров регулирования, заключающаяся как в росте данных для диагностики и ее обработки в рамках контура, так и в увеличении внутренних связей между элементами контура, например, между измерительным элементом и собственно клапаном. Так, в современном цифровом контуре регулирования значительная часть данных обрабатывается внутри контура. Это позволяет значительно упростить связи между нижним уровнем автоматизации и системой управления. На верхний уровень системы автоматизации поступают только данные по отклонениям, заданные системой АСУ ТП. Раньше все эти функции выполнялись непосредственно системой АСУ ТП.

КЛАПАНЫ В КОНТУРАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Развиваясь под давлением со стороны требований выполнения параметров технологического процесса и особенностей контуров регулирования, регулирующий клапан прошел в своем развитии несколько основных этапов. Сначала, определившись как регулирующий орган для целей техпроцесса, он стал инструментом регулирования.

Из-за невозможности выполнить регулирующую функцию в динамически меняющейся системе быстрое развитие получили приводы с появлением дополнительной вспомогательной подсистемы – гидропневмопривода\электропривода. Чтобы управлять движением силового привода, сразу же возникала необходимость установки позиционера, концевых выключателей и других устройств, обеспечивающих синхронизацию движения привода с заданием. Т. е. вместе с приводом регулирующий клапан получил силовую составляющую. Ручной маховик был заменен на управляемый силовой (пневматический, гидравлический, электрический) привод.

С появлением позиционера клапан стал получать команды и регулировать собственные параметры действия (например, снимать рассогласование между отдельными элементами клапана) в соответствии с логикой процесса регулирования. Поскольку позиционер получил возможность включать в себя и информационные инструменты, получать данные от датчиков и преобразовывать собственную диагностическую информацию, получаемую от собственных сенсоров, то он стал в целом и преобразователем информации и имеет возможность предлагать оператору решения на основе обработки внутренней информации. В частности, встроенная программа диагностики FieldCare дает возможность получать тревожные сигналы и тренды о состоянии и вероятном накоплении неисправностей в клапане.

Впервые проблема различий в отношении к клапану как элементу трубопроводной сети с соответствующими параметрами и расчетными характеристиками, и, как к исполнительному устройству и звену регулирования была наиболее четко поставлена в работе Иткиной Д. (Иткина Д. М. «Исполнительные устройства систем управления в химической и нефтехимической промышленности. Москва, Химия, 1984. 252с.).

В работе было показано, что статическая характеристика объекта регулирования и исполнительного устройства регулирующего органа чрезвычайно связаны. При структурном анализе системы регулирования само исполнительное устройство поэтому часто относили к объекту, и коэффициент усиления исполнительного устройства объединяли с коэффициентом усиления объекта. Это приводило к тому, что статическим характеристикам исполнительного устройства регулирующего органа уделялось мало внимания, а порой они вообще выпадали из поля зрения проектировщика.

Ранее учету того, что расходная характеристика исполнительного устройства регулирующего органа играет существенную роль не только в статике, но и в динамике системы регулирования значения также не придавалось. Однако неправильный выбор расходной характеристики часто приводил к снижению статической и динамической точности, к увеличению времени переходного процесса, и даже к автоколебательному режиму.

Со стороны контура регулирования к клапану предъявляются высокие требования. В связи с ростом быстроты и непрерывности протекания процессов, усложнением процесса регулирования, развитием сложных алгоритмов, по которым производится регулирование, клапан должен отвечать все большим требованиям по снижению инерционности, быстроте и точности позиционирования.

Как было показано выше, в наибольшей степени выполнение этих требований стало возможным с развитием цифровых контуров регулирования. В них стала реальной беспрепятственная и помехоустойчивая работа клапана с возможностью цифровой обработки сигналов. Следствием стало, например, развитие новых видов контуров регулирования в составе АСУ ТП с нечеткой логикой и возможностью адаптации, где обработка сигнала производится непосредственно внутри контура, а в систему АСУ ТП поступает уже обработанная информация. При тонком регулировании используются клапаны, способные распознавать переходные процессы и снижать зависимость от них. Например, клапан NelesACE имеет встроенный алгоритм распознавания переходного процесса при регулировании, позволяющий снизить отклонения до минимума и обеспечить «опережающее» регулирование, устраняющее т. н. «перерегулирование», рис. 2. Его можно эффективно использовать, к примеру, в контурах подачи дорогих химикатов, в системах питания участков пароохладителей пароперегревателей и т. п.

Рис. 2. Устранение перерегулирования при применении клапана NelesAСЕ на впрысках питательной воды в пароперегревателях

Роль регулирующих клапанов в составе контуров регулирования тепловых схем весьма значительна. Регулирующие клапаны в контурах регулирования составляют до 70–80 % стоимости самого контура. Выполняя команду системы автоматизации в составе контура регулирования, клапан может вносить самую весомую часть возмущений и вариативности или, другими словами, колебательности в процесс. Если применяются эффективные клапаны, то можно значительно снизить вариативность процесса за счет лучшей работы контура регулирования в целом, рис. 3.

Рис. 3. Снижение вариативности процесса при применении более совершенных клапанов

По оси х – время в часах

По оси у – изменение параметра процесса

Как видно из рис. 2, снижение вариативности процесса в целом позволяет значительно снизить потери сырья, материалов и энергии, вытекающие из большой амплитуды колебаний технологического процесса.

Отвечая требованиям развития технологических схем и контуров регулирования по основным параметрам, сам регулирующий клапан сквозной линией должен иметь характеристики, отвечающие развитию всей системы в целом. Рассмотрим их подробнее.

Идеальным клапаном можно было бы назвать клапан, которого «нет», но его функция выполняется. Идеальное регулирование в соответствии с теорией – это регулирование, обеспечивающее максимальную линейность и пропорциональность расходной характеристики. Чтобы обеспечить максимально возможную линейность характеристики, сам клапан должен иметь максимально возможную равнопроцентную пропускную характеристику при минимальных затратах на выполнение сигнала.

Примером постоянного приближения к максимально возможной линейности регулирования и в клапане – к максимально возможной равнопроцентной характеристике – может быть замена шарового клапана на сегментный в ряде контуров. Улучшение расходной характеристики стало одним из главных «козырей» такого перехода, особенно по краям диапазона регулирования, где сегментный клапан, благодаря специальной конфигурации поворотного затвора, имеет преимущество. Из затрат на выполнение сигнала можно указать и слишком большой ход клапана, как в случае применения клапанов с поступательным движением штока, и большой вес клапана, и значительные гидравлические сопротивления и т. п.

Рассмотрим, как клапаны влияют на формирование возмущений в процессе. В качестве примера можно привести данные изучения снижения вариативности процесса на узле подачи питательной воды в котел, см. вставку.

Регулирующий клапан влияет на снижение уровня переходных процессов и на совершенство регулирования посредством устранения возмущений и приближения насколько возможно к командному сигналу, рис. 4.

Рис. 4. Переходной процесс при регулировании

При изменении заданного сигнала «i» c запаздыванием «t» начинается переходной процесс, превышая заданный сигнал на величину «Н», при этом общее значение отклонения от первоначального сигнала будет отличаться на величину «Н1». Отклонение Н\Н1 определит величину перерегулирования.

Совершенный клапан должен иметь характеристики, позволяющие наиболее точно выполнить заданный сигнал, как можно больше снижая переходные процессы. Совершенство регулирующего клапана в процессе регулирования определяется по специализированным методикам, см. ниже:

Оценка клапанов на предмет совершенства регулирования по этим методикам позволяет связать их с аналогичными характеристиками, принятыми для звеньев контуров регулирования, табл.4.

Табл.4. Основные соответствия между совершенством работы звена контура регулирования и характеристиками регулирующего клапана

Как видно, работоспособность и качество контура регулирования как части системы САР (системы автоматического регулирования АСУ ТП) во многом коррелируют с характеристиками качества регулирующих клапанов, обеспечивающих эти требования. Фактически их можно отнести к сквозным параметрам, связывающим точность контура с точностью клапана.

Динамика клапана, а именно изменение скорости движения его затвора в зависимости от поворотного момента, в связи, как со средой, так и особенностями привода оказывает максимальное влияние на эксплуатационные характеристики. К ним относятся запаздывание, точность позиционирования, стабильность хода и стабильность достижения положения, высокое разрешение при движении, быстродействие, отсутствие люфтов, оптимальные постоянные времени, сила внутреннего трения в клапане и прерывистость движения затвора. Собственные характеристики клапана, такие как гистерезис, мертвая зона, определяют множество характеристик клапана для стационарных процессов. Залипания, связанные с особенностями трения между затвором и уплотняющей поверхностью, а также суммой трений между штоком и сальником, дополнительно повышают трение. Значительно влияют и особенности движения поршня в поршневых приводах. Все приведенные проблемы влияют на точность расхода и на потери в целом, см. пример.

Пример. Имеется клапан мертвой зоной 0,5%. (Специалисты по управлению назвали бы эту характеристику – «зоной нечувствительности»). При его кривой усиления G=1, (аналогичный параметр из теории систем регулирования – кривая усиления исполнительного устройства) погрешность расхода также составит 0,5%. Если клапан выбран неверно и его кривая усиления составляет G=3, то погрешность регулирующего клапана составит 1,5 %, т. е. в 3 раза больше. Добавляя сюда показатели качества самого клапана, такие как обратное противодавление, а при неправильном выборе клапана, высокий фактор нагрузки, трение и залипание, получим дополнительную составляющую погрешности расхода. В целом это приводит к низкому качеству регулирования в соответствии с формулой:

Где

∆Qε –потери расхода;

Gν –потери из-за неправильного коэффициента усиления;

∆hε – дополнительные потери, связанные с качеством клапана.

Суммирование влияния клапана на точность регулирования позволяет создать определенные критерии выбора клапана для различных контуров регулирования и процессов. Правильный выбор клапана в зависимости от условий протекания технологического процесса, позволяет создать оптимальные условия для регулирования.

В настоящее время подбор клапана по «метрологическим» характеристикам, т. е. характеристикам, отвечающим за качество регулирования, и максимально соответствующим требованиям процесса, получает все большее признание. Например, чтобы обеспечить точность регулирования, медленно протекающие процессы требуют, чтобы клапан имел как можно меньшую мертвую зону, но высокую точность позиционирования, тогда как быстро протекающие процессы, например, с частым изменением параметров процесса требуют клапанов с малым гистерезисом и высоким быстродействием. При быстрых процессах низкое время отклика является наиболее критичным для характеристики времени запаздывания и инерционности. Учитывая эти факторы, удается повысить точность регулирования.

Развитие клапанов в направлении точности регулирования позволило найти эффективные решения для критически важных контуров. На ТЭС ими могут быть признаны контуры, где отношение параметров на входе и на выходе превышает критическую величину для этого контура и приводит к недопустимым погрешностям. В частности, ими могут быть: контуры питательной воды, регулирования подачи воды в пароперегреватель, клапаны пароконденсатного тракта, РОУ и др.

С ростом возможностей клапана и теоретического осмысления процесса регулирования появились программы расчета процесса регулирования и регулирующих клапанов. Их «статичность», т. е. пользование параметрами, выбранными при проектировании клапана, устраняется большей адаптивностью расчета в применении к изменяющемуся технологическому процессу. К примеру, в перспективе программы расчета типа Nelprof будут встроены в «голову» клапана для большей адаптации к изменениям в процессе клапана и контура в целом. (Источник: Статья Горобченко С. Л., Сурикова В.Н., Тотухова Ю.А. «О необходимости технологической поверки клапанов», (журнал ТПА №6, 2010).

Таким образом, клапаны прошли большой путь в составе контуров регулирования, достигнув уровня, когда они способны брать на себя задачи, ранее выполнявшиеся системой автоматизации. Ведущей тенденцией развития клапанов в составе контуров регулирования можно считать вклад в повышение идеальности регулирования и точности контура в целом.

На основе проведенного выше анализа становится ясно, что основными критериями выбора клапанов для работы в системах автоматизации может быть соответствие клапана равнопроцентной расходной характеристике, как обеспечивающей максимальную линейность установленной характеристики в трубопроводе. Вторым важным критерием является уровень возмущений, которые привносит клапан в процесс и насколько увеличиваются при этом отклонения заданного командного сигнала с его выполнением. Ниже приводятся основные преимущества поворотной арматуры (шаровых, сегментных, эксцентриковых кранов и поворотных заслонок) по сравнению с арматурой возвратно-поступательного действия (далее линейные клапаны).

БЛОК-ВСТАВКА. ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ ПОВОРОТНОЙ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ ПО СРАВНЕНИЮ С АРМАТУРОЙ ЛИНЕЙНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ТИПА ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

Высокий коэффициент Cv (Кv)

Обычно поворотные клапаны имеют более высокую пропускную способность в терминах номинального размера по сравнению с линейными клапанами. Например, сегментные и шаровые краны обычно имеют коэффициент Cv в 3 раза больший, чем коэффициент Cv линейных клапанов (вентилей) равного размера. Следовательно, могут применяться поворотные клапаны меньшего размера, и даже трубопроводы меньшего размера. Так, если необходимый размер линейного клапана составляет 4 дюйма, то может использоваться сегментный клапан размером 3 или даже 1 дюйм. Разница возрастает при увеличении размеров клапанов.

Отличное разрешение

Эффективные и «быстрые» технологические процессы требуют применения таких же эффективных регулирующих клапанов. Сегментные регулирующие клапаны, например, серии nelesCV, объединяющие оптимизированный V-образный затвор, беззазорную конструкцию с низким уровнем трения и интеллектуальный цифровой контроллер клапана ND 9000, могут удовлетворять требованиям, где необходимо иметь высокую разрешающую способность по отклику клапана, рис. 5.

Рис. 5. Характеристики отклика при использовании конструкций клапанов с высоким и низким трением

В качестве примера приведем клапан nelesCV. – nelesCV Finetrol. Он имеет конструкцию затвора, которая стабилизирует возмущения в потоке и допускает работу до полного открытия на 900. Эксцентриковая конструкция устраняет трение о седло, обеспечивая отличную эффективность регулирования, рис.7. Беззазорное соединение между клапаном и приводом обеспечивает быстрый и точный отклик, даже для небольших изменений значения регулируемой величины. Даже без применения специальных позиционирующих устройств клапан достигает разрешения 1:150.

Рис. 6. Разрешение клапана Finetrol

7. Клапан Finetrol

Широкие пределы регулирования рабочего диапазона

Поворотные клапаны обычно имеют пределы регулирования рабочего диапазона в 10–20 раз большие, чем линейные клапаны. Поворотные клапаны имеют более высокий коэффициент Cv и могут очень хорошо регулировать низкий расход при небольшом угле открытия. Регулирование потока с помощью седельных клапанов при небольших углах открытия часто затруднительно, поскольку возмущения в потоке стремятся нарушить точность регулирования. Поворотные клапаны могут регулировать поток, как только начинает открываться затвор. При этом регулирование получается очень точным с эксцентриковыми поворотными клапанами (Finetrol), благодаря их затвору-стабилизатору потока, а регулирование начинается сразу, как только клапан открывается. Сегментные шаровые клапаны (серия R, рис.8) могут регулировать расход еще более точно, поскольку в них применяется оптимизированный V-образный затвор.

Рис. 8. Поворотный сегментный клапан серии R компании Метсо

Интеллектуальные позиционеры

Применение технологий позиционирования в регулирующих клапанах поворотного типа проще, поскольку не требуется применять сложные приводы, проводить дополнительные мероприятия для устранения нелинейности и т. п.

Интеллектуальный позиционер с усовершенствованными возможностями диагностики обеспечивает длительную эффективность работы поворотных регулирующих клапанов в течение всего срока их службы. Это гарантирует в первую очередь долговременную стабильность и точность выполнения командного сигнала.

Уменьшение числа передаточных звеньев и длины хода при переходе на поворотную арматуру позволяет надежнее рассчитывать вероятные погрешности и неисправности при работе и обеспечивать значительно большее покрытие диагностикой параметров работы автоматических клапанов.

Компактная конструкция

Компактность поворотной арматуры по сравнению с арматурой возвратно-поступательного типа не вызывает сомнений. Однако этот фактор также важен и при оценке соответствия требованиям к клапанам, работающим в автоматических системах.

Компактность особенно важна для автоматических систем, где существует много узлов, склонных к потере работоспособности при значительных вибрациях. Благодаря своей компактной конструкции, поворотные клапаны легко устанавливаются и оказываются более устойчивыми к вибрациям трубопровода, чем традиционные линейные клапаны.

Наиболее чувствительной частью регулирующего клапана является позиционер, который жестко устанавливается вверху привода, близко к трубопроводу, и, следовательно, он не настолько склонен к значительным вибрациям трубопровода, чем позиционер, устанавливаемый в традиционных линейных клапанах.

Компактная конструкция способствует меньшему транспортному плечу в передаче момента, меньшему количеству люфтов и соответственно меньшему числу погрешностей и внутренних возмущений, вносимых в процесс. Это в свою очередь в большей степени обеспечивает адекватность выполнения командного сигнала клапаном и меньший уровень возмущений. Независимость погрешностей четвертьоборотных поворотных клапанов от длины хода и диаметра трубопровода, делает применимость этих клапанов для трубопроводов большего диаметра еще более привлекательными.

Надежность эксплуатации

Непрерывная эксплуатация является основой работы автоматических установок. Надежность в условиях постоянной эксплуатации является одной из важнейших характеристик клапана. При использовании в системах автоматизации надежность клапана должна быть выше, поскольку для автоматического срабатывания требуется более высокий уровень надежности арматуры. Основной проблемой при этом служит надежность непрерывной эксплуатации в загрязненных средах при максимальном числе циклов срабатывания.

Выделяют основные участки, отвечающие за надежность арматуры в эксплуатации: область «штока-сальника» и область «затвора-седла».

Область штока-сальника

Линейные клапаны склонны затягивать загрязненную рабочую жидкость в область штока. Это увеличивает затраты на техническое обслуживание и уменьшает эффективность и надежность работы клапанов. Линейные клапаны имеют свойство очень легко «залипать» при эксплуатации в загрязненной среде. В поворотных клапанах при вращающемся действии область штока остается чистой. Это увеличивает межсервисный интервал клапанов и поддерживает эффективность и точность работы клапанов на высоком уровне, даже в условиях работы в загрязненных жидкостях.

а) б)

Рис. 9. Схема работы сальникового узла в поворотной арматуре и арматуре возвратно-поступательного действия (www.metso.com).

а) схема работы поворотной арматуры – предотвращается попадание загрязнений в сальник;

б) схема работы клапана возвратно-поступательного действия – загрязнения поднимаются и истирают сальник из-за особенностей линейного перемещения;

в) г)

Рис. 10. Условия работы сальникового узла в поворотной арматуре и арматуре возвратно-поступательного действия (фото автора)

а) общий вид утечек в работе клапана возвратно-поступательного действия;

б) поворотная арматура в работе.

Поворотные клапаны демонстрируют в 100 раз меньшие показатели утечек через шток, чем стандартные линейные клапаны. Например, при динамической нагрузке для стандартной конструкции уплотнения штока поворотные клапаны Metso могут соответствовать самым современным стандартам по выбросам загрязняющих веществ (CAA, TA-Luft, ISO 15848) на уровне, практически равном уровню линейных клапанов с сальниковой набивкой сильфонного типа. Приведенные факты позволяют во много раз увеличить гарантии по циклам срабатывания, межремонтные интервалы и срок службы без ремонта в целом, рис. 11.

Рис. 11. Изменение уровня выбросов в зависимости от количества циклов срабатываний арматуры

Нагруженное пружиной уплотнение штока, т. н. нагружение на весь срок эксплуатации, обеспечивает долгосрочность эксплуатации без необходимости выполнения технического обслуживания и контроля за выбросом загрязняющих веществ в атмосферу. Нет риска внезапной поломки, характерного для линейных клапанов с набивкой сильфонного типа. При этом на предприятии снижаются общие выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, обеспечивается стабильность работы клапана как исполнительного устройства в системе автоматизации.

Область затвора-седла

Затворы поворотных клапанов могут работать в очень загрязненных жидкостях, если при этом используются затворы незасоряющейся конструкции. Например, в эксцентриковых поворотных клапанах Finetrol отсутствуют полости, где жидкость может задерживаться. Такие конструкции находят свое применение при регулировании потоков жидкостей, склонных к залипаниям, накипи, кристаллизации или полимеризации.

Антикавитационные и способствующие снижению шума затворы (Q-trim) для поворотных клапанов Metso имеют самоочищающуюся, «прозрачную» конструкцию, которая может применяться для очень загрязненных жидкостей. В частности, оказалось, что при эксплуатации линейных клапанов клеточного типа возникают проблемы при работе в условиях загрязненной среды, тогда как для поворотных клапанов такой проблемы не наблюдалось.

Поворотные регулирующие клапаны могут быть оборудованы снижающим шум и кавитацию затвором (Q-trim), который имеет широкий диапазон настройки и может легко работать в загрязненных жидкостях, рис.12. Жестко установленные элементы Q-trim вращаются вместе с затвором, что обеспечивает клапанам Q-trim более высокий Cv по сравнению с седельными клапанами такого же размера.

а) б)

Рис. 12. Схема работы регулирующих клапанов с антикавитационными насадками Q-trim

а) схема работы

б) кривая изменения аэродинамического шума

В затворах используется разделение ступеней давления, контроль скорости внутри него и разделение потока жидкости на множество струй. При использовании стандартных шумопонижающих клапанных затворов можно добиться снижения уровня шума до 20Дб. Технология Q-trim для поворотных клапанов была разработана компанией Neles в начале 80-х годов прошлого века и используется с тех пор во всех поворотных клапанах Metso размерами от 1 до 36 дюймов.

Для дисковых поворотных заслонок используется специальное решение со стабилизирующим поток затвором – S-Disc, рис. 13.

Рис. 13. Схема работы S-Disc и клапан Neldisc

Этим решением удается обеспечить высокую эффективность регулирования и отличную продолжительную герметичность клапана. Конструкция S-Disc включает стандартный дисковый поворотный клапан, оборудованный затвором – стабилизатором потока, расположенным со стороны выхода потока. Оригинальная идея диска, стабилизирующего поток, заключается в переносе силы жидкости с диска на корпус. Конструкция S-Disc обеспечивает стабильное регулирование потока и сниженный динамический крутящий момент, а также пониженный уровень шума и вибраций. Это подразумевает применение приводов меньшего размера, а также больший перепад давления регулирования, чем при использовании традиционных дисковых поворотных клапанов.

Наиболее сложная задача – устранение возмущений потока при регулировании и необходимость введения компенсирующих элементов в системе автоматизации, таким образом, может быть решена.

Конструктивные особенности арматуры для систем автоматизации

Кроме приведенных элементов, связывающих клапан с технологическим процессом и системой автоматизации, в клапане появляются специальные конструктивные элементы, обеспечивающие точность передачи момента без дополнительных люфтов. Пример такого конструктивного элемента приведен на рис. 14.

Рис. 14. Конструкции креплений для клапана автоматического регулирования серии Jamesbury

В ручных и приводных клапанах на основе механических тяг такие конструктивные элементы не применяются из-за экономической нецелесообразности. Наибольшее применение они находят в автоматических клапанах, способствуя обеспечению высокого уровня точности позиционирования автоматических контуров регулирования.

Таким образом, для целей регулирования эффективно использовать поворотную арматуру. Однако на сегодняшний день, ее применение относительно мало по сравнению с арматурой возвратно-поступательного типа, особенно в энергетике. Это приводит к значительным проблемам при работе автоматических систем. В частности, не полностью используются достижения современных цифровых систем автоматизации, основанных на эффективном регулировании процессов.

Для качественного регулирования необходимо, чтобы исполнительные органы в контурах регулирования соответствовали бы растущим требованиям систем автоматизации. При этом можно сказать, что многие конструктивные элементы поворотной арматуры получили свое развитие только благодаря системам автоматизации.

Развитие регулирующих клапанов в контурах регулирования показывает, что задача дальнейшего повышения качества регулирования в автоматических контурах в большей степени должна ложиться на поворотную арматуру.

3.1. Арматура и законы развития технических систем

Ниже мы попытаемся описать, как законы развития технических систем проявляются в развитии арматуры.

ЗАКОН ПЕРЕХОДА В НАДСИСТЕМУ

Заключается в том, что со временем отдельные подсистемы становятся частью самой системы, полностью интегрированной в нее.

Еще не так давно на предприятиях ЦБП можно было встретить сборные клапаны, где преобразователь и концевой выключатель, а также электронный блок были отдельными элементами системы регулирования. В настоящее время они скомпонованы в едином узле «позиционер».

Далее разрабатывались новые конструкции, где позиционер и привод стали единым целым, без транспортного звена, задающего дополнительные «помехи» в процесс регулирования.

Совмещенный привод с позиционером все чаще ложатся непосредственно на клапан без промежуточных хомутов, и обеспечивается надежная связь между ними. Цель – полное устранение возмущений, привносимых транспортными и передаточными участками, неправильной установкой, вибрациями, воздействующими на отдельные узлы по-разному.

Все больше клапан соответствует требованиям надсистемы системы регулирования – технологическому процессу. В этом случае, клапан может сам себя поверять на соответствие требованиям технологического режима, конструкции клапана лучше учитывают требования по среде, давлению, расходу, стойкости к коррозии, абразивному и эрозионному износу, кавитации и сопротивлению отдельным вредным явлениям – гипсации, карамелизации и др.

ЗАКОН ПОВЫШЕНИЯ ИДЕАЛЬНОСТИ И РЕГУЛИРУЕМОСТИ СИСТЕМЫ

Проявляется в том, что развитие регулирующих клапанов все больше отвечает развитию клапана в составе измерительного комплекса – повышается точность выполнения задания, вводятся понятия и математическое и аппаратурное обеспечение метрологической надежности выполнения задания, прогнозирующие механизмы устранения погрешностей и др.

Из технологических схем все чаще устраняются шиберные задвижки или они устанавливаются на участках, где они являются единственной альтернативой. Причина – шиберная задвижка не может быть автоматизирована для целей регулирования, т.к. на ней практически невозможно получить регулирование с высокой степенью линейности, что является идеальной характеристикой регулирования.

Переход к принципиально новой системе будет происходить тогда, когда регулирующий клапан и клапанный узел станет в большей степени развиваться в составе измерительного комплекса, а часть его функций или аппаратурного оформления будет заменяться программным обеспечением с возможностью прогнозирования. Уже сейчас это заметно на наиболее совершенных клапанах, например, клапане регулирования веса м2 NelesACE, способного проводить регулирование по расчетному алгоритму на основе математической программы, обеспечивать отсутствие перерегулирования на переходных режимах и др.

ЗАКОН ВЫТЕСНЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА ИЗ СИСТЕМЫ

Закон характерен тем, что вытеснение человека происходит на нескольких уровнях – исполнительном, преобразовательном, с уровня исполнения и информационного уровня. Сегодняшнее положение дел можно охарактеризовать тем, что вытеснение человека происходит с преобразовательного уровня на уровень управления (АСУ ТП) и с уровня управления на информационный уровень (переход к ИИС – информационно-измерительным системам). Происходит замена интуитивных и аппаратных решений математикой, программным обеспечением, способным прогнозировать поведение системы.

Далее происходит поэтапное вытеснение человека из системы в следующей последовательности.

Вытеснение человека из каждого из элементов клапанного узла

вытеснение человека как источника энергии\движителя

Пример. Вытеснение седельных клапанов и шиберных задвижек поворотными дисковыми затворами. Наблюдается постоянное вытеснение шиберных задвижек из технологического процесса. Длительное время они оставались часто используемыми, поскольку их движением легко было управлять. Также седельные клапаны легко управлялись простым перемещением штурвала с незначительным усилием, которое могло производиться человеком. Замена седельных клапанов или шиберных задвижек на поворотные заслонки, где требуется значительно более сильное поворотное усилие\момент, привело к машинному способу перемещения, где в помощь штурвалу всегда используется специальный редуктор, передающий усилие.

Пример. Вместо мускульной силы стал использоваться пневмо или электропривод.

Пример. Вместо оператора для задания сигнала используется позиционер, точно знающий положение клапана и способный обеспечить его перемещение на правильный угол.

Вытеснение человека между уровнями

Пример. Переход к компактным конструкциям «клапан – привод – позиционер» больше не требует большей части монтажа при помощи специальных трубок. Наличие интеллектуального ND позиционера все меньше требует контроля со стороны системы АСУ ТП (DCS), при этом на пути сигнала стоит все меньше помех, меньше требуется нормо-часов на обслуживание, быстрее выявляются потери, погрешности, неисправности и др.

Вытеснение с уровня управления и информации

Пример. Этот процесс наиболее выражен в том, что клапан все больше и больше может себя диагностировать, тем самым вытесняя «дядю Васю» из процесса. В целом, функции, которые при ремонте были свойственны человеку, например, анализ неисправности, ее установление, рекомендации по ее устранению, т.е. "что необходимо сделать", все больше анализируются специальной программой типа FieldCare.

ЗАКОН ПОВЫШЕНИЯ ДИНАМИЧНОСТИ И УПРАВЛЯЕМОСТИ

Наиболее эффективно проявляется в системах регулирования. Примеры: повышение степени автоматизации, повышение степени непрерывности процесса регулирования за счет постоянного управления, за счет последовательного перехода по следующим этапам (примеры приведены из анализа техники компании Метсо):

Рост мультифункциональности

Пример. Например, за счет увеличения откликаемости клапана на различные возмущающие действия. Так, программа Nelprof способна рассчитать различные положения клапана при различных расходах, давлениях, температуре среды и дать оценку работоспособности клапана, его критические зоны, переход в кавитационный режим, выход из линейной зоны регулирования и др.

Рост числа сменных рабочих органов

Пример. Клапан Neles Rotary Globe имеет до 11 затворов, рассчитанных на разную пропускную способность и которые могут быть установлены в одном корпусе. Позиционер ND9000 имеет несколько типов золотников, рассчитанных на различный расход воздуха и различную скорость и мощность перемещения.

Рост числа элементов с программным принципом выполнения функций

Пример. Программирование перемещения клапана уже производится программируемым контроллером типа NP и ND по заданным значениям сигнала управления.

Пример. Этот же принцип проявляется в том, что клапан в автоматического исполнении, в отличие от ручного клапана, отвечает на запросы системы, сам быстро и эффективно обеспечивая регулирование. Кроме того, системы диагностики, встроенные в клапан, сразу могут сообщать о первых признаках неполадок, тем самым нет потерь, в отличие от «небыстрого» принятия решений человеком.

Пример. Специальные решения клапана и заложенная математика способна устранить такой дефект клапана как перерегулирование, за счет просчета параметров клапана в момент переходного режима.

Переход к системе с изменяемыми рабочими органами

Пример. Если требуется, чтобы клапан работал как в антикавитационном режиме, так и в обычном режиме, то может быть применена легко монтируемая насадка типа Q-Trim. Внутренняя начинка клапана может быть полностью перерасчитана и полностью изменена для соответствия новым условиям среды, давления, технологического режима и др.

Увеличение числа степеней свободы

Характеризуется переходом от нединамической системы к системе, имеющей механические шарниры, механизмы, гибкие материалы. Далее появляются системы, изменяющиеся на микроуровне – фазовые переходы, химические превращения и др. и далее системы с изменяющимися полями.

Пример. Вместо жесткого крепления шарового затвора клапана серии Р, в настоящее время используется гибкая связь серии М.

Пример. В клапанах Jamesbury, чтобы выдержать огромное число циклов, используется специально разработанный эластичный материал седла X-Treme, стойкость которого может составлять до 3 млн. циклов, когда стойкость обычного материала (резины) составляет не более 5000 циклов.

Пример. В дальнейшем можно ожидать изменения рабочих органов на соответствие, например, различным пульсациям с возможностью их гашения, например, отстройки собственной частоты вибрации клапана от характерных для потока, применением специальных вибродемпфирующих сплавов и др.

Повышение управляемости

От неуправляемой системы к системе с принудительным управлением и системе с самоуправлением.

Пример. От управления человеком к его вытеснению при помощи аналогового позиционера с принудительным управлением от DCS и к самоуправлению при использовании цифрового интеллектуального позиционера ND 9000, имеющего возможность, как самодиагностики, так и в дальнейшем самодиагностики на точность регулирования и соответствие меняющемуся технологическому режиму.

Рост степени динамической управляемости и статической неустойчивости системы

От статически устойчивой системы к системе с несколькими устойчивыми состояниями к динамически устойчивой системе и далее к абсолютно неустойчивой системе.

Пример. На старых предприятиях ЦБП используют в основном клапаны с ручным управлением. При этом качество процесса регулируют в основном за счет того, что используется только один вид сырья, имея при этом большие потери. При переходе на выпуск нескольких сортов бумаги некоторые контуры регулирования (в основном через клапан регулирования веса м2) уже приходится автоматизировать. В противном случае потери будут слишком велики.

Полностью автоматизированная система соответствует в принципе динамически устойчивой системе, где клапаны должны откликаться на воздействие от центральной DCS. Технологический процесс при этом характеризуется высокой колебательностью, высокими скоростями, сложной композицией, частыми сменами сорта и др. В варианте перехода к неустойчивой системе функции регулирования, уменьшения пульсаций, лучшей самодиагностики, настройки, калибровки уже передаются клапану, который и обеспечивает функционирование в условиях все возрастающей неустойчивости системы.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.