Автоматизация технологических процессов книга. Компетенций в новой среде обучения виртуальной среде профессиональной деятельности
 Скачать 24.89 Mb.
|
|
116 Рис. 8.7. Схема пассивного барьера безопасности ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ УСТРОЙСТВА ИСКР О ЗАЩИТЫ Если (при неисправности) напряжение неискробезопасной цепи становится слишком высоким (потенциал измеряется отно- 118 Рис. Возможные схемы подключения аналоговых датчиков 4...20 мА к контроллерам сительно потенциала точки РА/РЕ), то стабилитроны, обычно имеющие высокое сопротивление, начинают проводить и потребляют столь высокий ток, что плавкий предохранитель перегорает. Таким образом, опасные высокие напряжения не могут передаваться во взрывоопасную зону. При замыкании на массу во взрывоопасной области максимальный ток ограничен токоогра- ничивающим резистором во невзрывоопасной области и/или перегорает плавкий предохранитель. Следовательно, опасно высокие токи не могут передаваться во взрывоопасную область, те. электропитание в искробезопасной цепи надежно ограничено. Очевидно, что такой барьер безопасности должен быть сертифицирован и маркирован как прибор, обеспечивающий взрыво- безопасность, например, [Ex ib]. Квадратные скобки указывают, что барьер безопасности обеспечивает искробезопасность цепи категории «ib», однако сам по себе не является взрывозащищенным прибором, те барьер следует устанавливать только во взрывобезопасной области (обычно в шкафу управления, где монтируется контроллер. Возможные схемы подключения аналоговых датчиков 4...20 мА к контроллерам показаны на рис. 8.8. 8.4. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ Датчик, который содержит в своем составе микропроцессорное устройство обработки информации, называют интеллектуальным датчиком. На рис. 8.9 показана функциональная схема интеллектуального датчика давления. Сенсор - чувствительный элемент - преобразует давление в напряжение. АЦП - аналого-цифровой преобразователь - преобразует напряжение в код. МП - микропроцессор - осуществляет обработку сигнала - вычисление значения вычисляемого параметра, а также функции управления и линеаризации характеристики сенсора. Интерфейсные блоки служат для формирования 120 Рис. Функциональная схема интеллектуального датчика давления сигналов цифровой и аналоговой передачи данных. Устройство индикации показывает значение измеряемого параметра. На рис. 8.10 показана блок-схема интеллектуального датчика с выходным сигналом тока. ПАП - цифро-аналоговый преобразователь - преобразует цифровой код в сигнал тока датчика. Полевой транзистор служит для стабилизации напряжения питания схемы. Сопротивление Ri служит для контроля значения тока вцепи. При создании нового поколения интеллектуальных датчиков потребовалось наряду с передачей аналоговой информации передавать и цифровые данные. С этой целью был разработан специальный протокол Highway Addressable Remote Transducer - так называемый протокол. Передача данных в протоколе осуществляется с помощью частотной модуляции в соответствии с широко распространенным стандартом Bell 202. Цифровая информация пе редаётся частотами 1200 Гц (логическая 1) и 2200 Гц (логический 0), которые накладываются на аналоговый токовый сигнал рис. 8.11). Частотно-модулированный сигнал цифровых данных при применении соответствующей фильтрации не влияет на основной аналоговый сигнал 4...20 мА. Скорость передачи данных для HART составляет 1,2 кбит/с. На рис. 8.12 показана блок-схема датчика, использующего Н протокол. Модем 1 преобразует цифровой код в частотно-модулиро ванный сигнал, который поступает на формирователь сигнала, и далее через ЦАП на выход датчика. Рис. 8.10. Блок-схема интеллектуального датчика с выходным сигналом токая ч о I ос о а а о а. а -«-» оо о Рис. 8.12. Блок-схема датчика, использующего протокол Рис. 8.13. Внешний вид интеллектуального датчика давления с коммуникатором Помимо передачи сигнала от датчика о величине давления на датчик могут передаваться управляющие сигналы. С помощью этих управляющих сигналов может быть осуществлена калибровка датчика. При этом модем 2 преобразует частотные посылки («1» О) в цифровой код. На рис. 8.13 показан внешний вид интеллектуального датчика давления с коммуникатором. Глава 9 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Технологические процессы, осуществляемые на предприятиях нефтяной и газовой промышленности, обычно представляют в виде динамических систем, поведение которых во времени определяется такими параметрами, как температура, давление, расход, уровень, концентрация и др. При нормальном протекании процесса эти параметры принимают определенные, так называемые номинальные значения. Указанные параметры могут отклоняться от номинальных значений в силу ряда внешних причин (изменение расхода и состава сырья, параметров тепло- и хладагентов и др) или явлений, протекающих в самом аппарате (условий передачи тепла через поверхность и др. Это приводит к нарушению технологического процесса и, как следствие, к снижению количества и качества получаемой продукции. В связи с этим для нормального протекания процесса им необходимо управлять. Управление - это целенаправленное воздействие на технологический объект управления (ТОУ), которое обеспечивает его функционирование и качественно оценивается величиной критерия управления. Критерии могут иметь технологическую или экономическую природу (производительность технологической установки, себестоимость продукции и т.п.). Регулирование - частный случай управления, используемый в локальных системах и означающий стабилизацию технологического параметра, те. поддержание выходных параметров объекта 124 Рис. Структурная схема регулирования по комбинированному принципу В противном случае применяют системы связанного регулирования, в которых регуляторы различных параметров одного технологического объекта связаны между собой внешними связями вне объекта) с целью ослабления взаимного влияния регулируемых параметров. Такая система связанного регулирования называется автономной. 4. По назначению (характеру изменения задающего воздействия) САР подразделяются на системы стабилизации, системы программного управления и следящие системы. Системы стабилизации предназначены для поддержания регулируемого параметра на заданном значении, которое устанав- сов с определенным периодом их чередования. Период появления импульсов задается принудительно. Входной величине пропорциональна амплитуда или длительность импульсов на выходе. Введение импульсного звена освобождает измерительное устройство системы от нагрузки и позволяет применять на выходе маломощное, но более чувствительное измерительное устройство, реагирующее на малые отклонения регулируемого параметра, что приводит к повышению качества работы системы. 131 5* ние регулятора, в свою очередь находится под его обратным воздействием. В структурной схеме САР имеется отрицательная обратная связь (ООС), которая является необходимым условием любого управления. Система управления с обратной связью гарантирует компенсацию возмущений не только определенного видано и любых возмущений вообще. 9.3. СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ САР Реакцию элемента на скачкообразное изменение входной величины называют временной характеристикой Уравнение временной характеристики может быть получено в результате решения дифференциального уравнения при входном скачкообразном воздействии. По найденному выражению может быть построен график временной характеристики. Глава 10 УСТОЙЧИВОСТЬ ИК А ЧЕС Т ВО С АР. ТИПОВЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ЗВЕНЬЯ Для исследования различных по природе и конструкции систем регулирования с помощью единого математического аппарата их представляют в виде структурных схем. Такие схемы содержат динамические звенья и различные способы их соединения. В основу классификации звеньев положены соответствующие уравнения динамики. Под динамическим звеном понимают уравнение динамики, которым можно представить различные по физической природе и конструкции элементы САР. Динамические звенья называют элементарными, так как они не могут быть разложены на более простые. Атак как каждое из них (в зависимости от его динамических свойств) может быть отнесено к тому или иному типу, их называют также типовыми. Динамические звенья называют типовыми, если изменение проходящего через них сигнала описывается алгебраическим или 134 Рис. 9.13. График скачкообразного изменения входной величины Временная характеристика апериодического звена, построенная по выражению (10.3), представлена на рис. 10.2 и является экспонентой. Из графика видно, что выходная величина со временем стремится к новому равновесному значению. Теоретически время переходного процесса равно бесконечности. Практически же можно считать, что переходный процесс заканчивается за время, в течение которого отклонение Ау достигает 95 % от максимального отклонения, соответствующего новому состоянию равновесия звена. Это время, равное обычно ЗГ, называют временем разгона. Постоянную времени Т звена можно определить из временной характеристики. Если из любой точки экспоненты провести касательную до пересечения с прямой, характеризующей новое установившееся значение выходной величины, то проекция этой касательной на ось времени и будет величиной Т На рис. 10.2 касательная проведена изначальной точки кривой. Постоянная времени Т имеет размерность времени. Из графика рис. 10.2 вид- Рис. 10.2. Временная характеристика апериодического звена 136 Рис. Временная характеристика колебательного звена 137 но, что за время Т отклонение выходной величины под действием скачкообразного изменения входной величины достигает 63,2 % от максимального отклонения. КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ ЗВЕНО Колебательным называют звено, если после скачкообразного изменения его входной величины х изменение выходной у имеет форму затухающих колебаний. Динамические свойства такого звена выражаются дифференциальным уравнением вида Рис Временная характеристика апериодического звена второго порядка В случае действительных корней колебания на выходе звена отсутствуют (рис. 10.4). Такая временная характеристика носит апериодический характер, что соответствует эквивалентной замене звена двумя последовательно соединенными апериодическими звеньями. Поэтому такое звено называют апериодическим звеном второго порядка. ИНТЕГРИРУЮЩЕЕ ЗВЕНО Интегрирующим называют такое звено, у которого выходная величина у пропорциональна интегралу повремени от входной величины х те. 138 Это выражение является уравнением прямой линии. Временная характеристика интегрирующего звена, построенная по уравнению (10.8), приведена на рис, 10.5. Из уравнения (10.8) видно, что при t = Г относительное изменение выходной величины интегрирующего звена достигает значения, равного относительному скачкообразному изменению входной величины Ах. Из уравнения (10.8) следует, что изменение выходной величины тем больше, чем больше изменение входной величины и чем меньше постоянная времени Т. Особенностью интегрирующего звена является то, что достаточно самого незначительного отклонения входной величины, чтобы выходная величина непрерывно изменялась с большей или меньшей скоростью. Постоянную времени можно определить и из временной характеристики звена. Для этого достаточно по оси ординат (см. рис. 10.5) отложить значение Ау численно равное Ахи по точке пересечения временной характеристики с прямой, соответствующей Ахи параллельной оси времени, определить t = Т. ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЕ ЗВЕНО Дифференцирующим называется звено, если изменение его выходной величины у пропорционально скорости изменения входной хи описывается уравнением вида Рис 10.5. Временная характеристика интегрирующего звена Рис. 10.6. Временная характеристика идеального дифференцирующего звена личина получает в момент изменения мгновенный импульс, величина которого изменяется от нуля до бесконечности и снова возвращается к нулю. Изменение выходной величины при скачкообразном изменении входной показано на рис. 10.6. Из анализа уравнения (10.9) видно, что ни одно реальное звено не может в точности удовлетворить ему, так как в реальных элементах систем автоматического регулирования невозможны мгновенные процессы. Звенья, описываемые уравнением (10.9), называют идеальными. Реальным дифференцирующим звеном называют такое звено, для которого зависимость между изменениями входной и выходной величин определяется уравнением Рис. 10.7. Временная характеристика реального дифференцирующего звена 140 10.2. СТАТИКА И ДИНАМИКА САР Синтез систем автоматизации технологических процессов нефтяной и газовой промышленности невозможен без понимания теоретических аспектов САР. К ним относятся статика и динамика систем, переходные процессы, понятие устойчивости САР, показатели качества регулирования. Линейные системы в статике и динамике описываются линейными уравнениями. Такие системы подчиняются принципу суперпозиции, или независимости возмущений. Он заключается в том, что реакция системы на сумму входных воздействий равна сумме реакций на каждое из воздействий в отдельности, те. каждая входная величина системы создает свою составляющую выходной величины независимо от изменения других входных верования. Такой переходный процесс используется в качестве оптимального при значительном влиянии регулирующего воздействия на другие технологические параметры объекта при отклонении основного регулируемого параметра для того, чтобы свести их отклонение к минимуму. Процесс с 20%-ным перерегулированием характеризуется меньшим отклонением регулируемого параметра при этом время регулирования несколько возрастает. Этот процесс выбирается в качестве оптимального в случаях, когда допустимо некоторое перерегулирование. 149 Процесс с минимальной квадратичной площадью отклонения регулируемого параметра обладает значительным (до 40 %) пе ререгулированием, большим временем регулирования и наименьшей величиной динамической ошибки. Он применяется в качестве оптимального, если величина динамического отклонения параметра должна быть минимальной. На форму и качество переходного процесса САР влияют свойства технологического объекта, тип автоматического регулятора и степень его воздействия на объект. Глава 11 РАС Ч Ё Т ПАРАМЕТРОВ НАСТРОЙКИ РЕГУЛЯТОРОВ СВОЙСТВА ОБЪЕКТОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ Динамические свойства объекта регулирования влияют на вид переходного процесса. Свойства объекта необходимо знать при синтезе схемы автоматизации, выборе закона работы регулятора и определении оптимальных значений его настроечных параметров. Правильный учёт свойств объекта позволяет создавать САР с высокими показателями качества переходного процесса. Основными свойствами объектов регулирования являются самовыравнивание, ёмкость и запаздывание. Самовыравнивание Самовыравниванием называют свойство объекта самостоятельно приходить в равновесное состояние после изменения входного воздействия. В объектах с самовыравниванием ступенчатое изменение входной величины приводит к изменению выходной величины со скоростью, постепенно уменьшающейся до нуля, что связано с наличием внутренней отрицательной обратной связи. Чем больше степень самовыравнивания, тем меньше отклонение выходной величины от первоначального значения. Самовыравнивание объекта таким образом характеризует его устойчивость. 151 Запаздывание объекта выражается в том, что его выходная величина у начинает изменяться не сразу после нанесения возмущения, а только через некоторый промежуток времени т, называемый временем запаздывания Все реальные объекты нефтяной и газовой промышленности обладают запаздыванием и требуют времени для прохождения сигнала от места нанесения возмущения до места, где фиксируется изменение выходной величины. Обозначив это расстояние через / (риса, а скорость прохождения сигнала через V, выразим время запаздывания т следующим образом 152 ство переходного процесса САР и на выбор закона регулирования. Влияние самовыравнивания объекта аналогично действию автоматического регулятора. Так, объекты, не обладающие самовыравниванием, самостоятельно не обеспечивают устойчивой работы и требуют обязательного применения автоматического регулятора. Причем, не каждый регулятор может справиться с задачей управления такими объектами. Таким образом, отсутствие самовыравнивания в объектах усложняет задачу регулирования, а его наличие облегчает задачу поддержания регулируемого параметра на заданном значении. Чем выше степень самовыравнивания, тем более простыми методами можно обеспечить требуемое качество регулирования. Ёмкость объектов влияет на выбор типа регулятора. Чем она меньше, те. чем больше скорость изменения выходной величины объекта приданном изменении нагрузки, тем большую степень воздействия на объект должен иметь регулятор. Наличие запаздывания в САР усложняет задачу регулирования технологического параметра в объекте. Поэтому необходимо стремиться к его уменьшению устанавливать измерительный преобразователь и исполнительное устройство системы как можно ближе к объекту регулирования, применять малоинерционные измерительные и нормирующие преобразователи и т.д. Свойства объектов определяют аналитическим, экспериментальными экспериментально-аналитическим методами. 153 Аналитический метод заключается в составлении математического описания объекта, при котором находят уравнение статики и динамики на основе теоретического анализа физических и химических процессов, протекающих в исследуемом объекте, с учетом конструкции аппаратуры и характеристик перерабатываемых веществ. При выводе этих уравнений используются фундаментальные законы сохранения вещества и энергии, а также кинетические закономерности процессов химических превращений, переноса тепла и массы. Аналитический метод применяют при проектировании систем управления технологическими объектами, физико-химические процессы которых достаточно хорошо изучены. Он позволяет прогнозировать работу объектов в статическом и динамических режимах, однако сопряжен с трудностью решения и анализа составленных уравнений и требует проведения специальных исследований для определения значений коэффициентов этих уравнений. Кроме того, точность математического описания реальных объектов в большей степени зависит от введения упрощающих допущений. Экспериментальный метод состоит в определении характеристик реального объекта путём постановки на нём специального эксперимента. Метод достаточно прост, обладает малой трудоемкостью, позволяет достаточно точно определить свойства конкретного объекта. При экспериментальном методе невозможно выявить функциональные связи между свойствами перерабатываемых и получаемых веществ, режимными показателями технологического процесса и конструктивными характеристиками объекта. Этот недостаток не позволяет распространить на другие подобные объекты результаты, полученные экспериментальным методом. Экспериментально-аналитический метод заключается в составлении уравнений путём анализа явлений, происходящих в объекте, при этом численные значения коэффициентов полученных уравнений определяются экспериментально на реальном объекте. Являясь комбинацией аналитического и экспериментального способов определения свойств объектов, этот метод учитывает их преимущества и недостатки. |