Автоматизация технологических процессов книга. Компетенций в новой среде обучения виртуальной среде профессиональной деятельности
 Скачать 24.89 Mb.
|
|
11.2. ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ Устройство, с помощью которого в системах регулирования обеспечивается автоматическое поддержание технологического параметра около заданного значения, называют автоматическим 154 11.4. ВЫБОР ТИПА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛЯТОРА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЕГО НАСТРОЙКИ Перед тем, как приступить к выбору автоматического регулятора анализируют технологический объект и определяют канал регулирования. Последний выбирают так, чтобы изменение регулирующего параметра (поток вещества или энергии, подаваемый в объект или выводимый из него) сопровождалось максимальным изменением регулируемого параметра, те. чтобы коэффициент усиления объекта по каналу регулирования был максимальным. Тип автоматического регулятора (закон регулирования) выбирается с учётом свойств объекта регулирования и заданных показателей качества переходного процесса. К качеству регулирования каждого конкретного технологического процесса, имеющего присущее только ему особенности, предъявляются конкретные требования. В одних случаях оптимальным или достаточным может служить процесс, обеспечивающий минимальное значение динамической ошибки регулирования, в других - минимальное значение времени регулирования, и т.д. Поэтому в соответствии с требованиями технологии обычно выбирают один из трёх типовых переходных процессов граничный апериодический с 20%-ным перерегулированием; с минимальной квадратичной площадью отклонения. Переходный процесс в САР зависит от свойств технологического объекта, от характера и величины возмущающих воздействий, а также от типа автоматического регулятора (его закона регулирования) и параметров настройки регулятора. 160 Организационный поиск позволяет находить оптимальные на строечные параметры регуляторов непосредственно из эксперимента, проводимого на действующей САР. Это надежный, но трудоёмкий путь. Кроме того, он осложнен тем, что на реальных технологических объектах не допускаются большие отклонения от значений, соответствующих заданному режиму. Расчетный метод заключается в составлении уравнения динамики системы и его решении относительно регулируемого параметра при единичном ступенчатом возмущении. Затем, подставляя в полученное решение конкретные значения или различные комбинации параметров настройки регуляторов, получают несколько переходных процессов. Из них в качестве рабочего выбирают процесс, наиболее близкий к заданному типовому переходному процессу. Значения настроечных параметров регулятора, соответствующие выбранному процессу, принимают в качестве оптимальных. Формулы или графические зависимости полученные в результате математического моделирования САР, также позволяют определить оптимальные значения настроечных параметров регуляторов. Данный метод наиболее часто используется на практике. Условным проходом D y исполнительного устройства называют номинальный размер диааметра прохода в присоединительных патрубках. 12.2. КОНСТРУКЦИИ РЕГУЛИРУЮЩИХ ОРГАНОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТГРОЙСТВ Исполнительное устроисттво состоит из двух частей - исполнительного механизма и регуулирующего органа. Различают следующие виды регулирующих органов - односеде.льный; - двухсед&льный; - заслоночный - шаровой - клеточньйй. Схемы показаны на рис. 112.2. В нефтегазювой отрасли наибольшее распространение получили мембранно-пружинные и поршневые поворотные пневматические исполнительные механизмы. В двухседельных регулирующих органах (риса корпус имеет два седла, а затвор, прюходящий через эти седла, имеет два утолщения с дросселирующими и запирающими поверхностями. Перемещение затвора относительно сёдел изменяет площадь прохода среды. Основным преимуществом двухседельного регулирующего органа является возможность разгрузки затвора от одностороннего действия сшлы, создаваемой статическим давлением среды 3 большинстве случаев на затворах двухседельных регулирующих органов кроме дросселирующих имеются запирающие поверхности, и поэтому с целью обеспечения возможности сборки и разборки регулирующего органа диаметр прохода верхнего седла делают больше, чем диаметр прохода нижнего седла, для того чтобы через него прошло нижнее утолщение затвора. Разные размеры проходов сёдел создают неуравновешенность сил гидростатического давления среды на затвор, но эта неуравновешенность невелика, так как невелика разность диаметров верхнего и нижнего сёдел. Двухседельные регулирукощие органы всегда проектируются таким образом, чтобы изменение их исполнения с нормально открытого ( НО) на нормально закрытое (НЗ) осуществлялось лишь перемонтированием относительного расположения затвора и сёдел при сохранении всех деталей. В односедельных регулирующих органах (рис. 12.2, б одностороннее действие статического давления среды создает необхо- 166 Рис. 12.2. Схемы регулирующих органов а — двухседельный; б — односедельный; в — заслоночный г — шаровой д — клеточный 1 — седло 2 — затвор 3 — вал 4 — клетка димость применения исполнительных механизмов большой мощности. При движении со стороны, противоположной расположению штока, те. под затвор, среда отжимает затвор от седла. Исполнительный механизм должен создать перестановочное усилие, способное преодолеть силу давления среды на затвор это усилие зависит от перепада давления на затворе и площади прохода в седле. При движении среды со стороны расположения штока, те. на затвор, давление среды способствует закрытию затвора, прижимая его к седлу. В этом случае при определении силы, действующей на затвор, необходимо кроме статического давления среды учитывать затягивание затвора. Последнее объясняется тем, что под затвором образуется вакуумная полость, размеры которой в связи с турбулентностью потока изменяются. Поэтому при неизменном положении затвора его затягивает в проход седла с переменной силой. 167 Возможность обеспечения герметичности закрытия прохода является важным преимуществом односедельных регулирующих органов. Регулирующие заслонки (рис. 12.2, в изменяют пропускную способность при повороте диска под действием исполнительного механизма. В регулирующих заслонках нет зон, в которых могут скапливаться механические частицы и грязь. Поток регулируемой среды незначительно меняет свое направление при проходе через заслонку, поэтому сопряженные дросселирующие поверхности изнашиваются меньше. Кроме того, заслонки имеют сравнительно несложную конструкцию, небольшие габариты, массу и стоимость. Основные недостатки регулирующих заслонок - трудность обеспечения плотного перекрытия регулируемого потока, а также наличие значительных неразгруженных усилий, действующих на диск заслонки. Неразгруженность диска заслонки объясняется следующими обстоятельствами. При проходе среды давление на обе половины диска уравновешено только в момент полного перекрытия потока. При промежуточных положениях диск разделяет поток на две неравные части большая часть потока проходит сверху, а меньшая - снизу. В результате на заслонку будет действовать крутящий момент, стремящийся её закрыть. При переходе диска в диапазон угла поворота 60-90°, вследствие неравномерного распределения скорости сверху и снизу заслонки, крутящий момент достигает максимума в зоне 65-75°, а затем резко падает до нуля в момент полного открытия. Шаровые регулирующие органы (рис. 12.2, г) оборудованы затвором поворотного типа, выполненным в виде сферы с цилиндрическим отверстием. При повороте вала привода сфера поворачивается, изменяя сечение прохода. Они конструктивно несложные, надежные в эксплуатации, дешевые, легкие и герметичные в широком диапазоне регулируемых сред, условных проходов и рабочих давлений. Клеточные регулирующие органы (рис. 12.2, д получили свое название по характерной для них детали - клетке, внутри которой перемещается затвор. Клетка зажимается между седлом и верхней крышкой корпуса. Шток регулирующего органа жестко связан с затвором. Применяют два варианта конструкции этого устройства. Водном из них профилированное отверстие делают в клетке, а затвор имеет вид обычного поршня (как показано на рис. 12.2, ЭВ другом варианте на затворе делаются профилированные отверстия, а на клетке - цилиндрические или прямоугольные отверстия. 168 При перемещении затвора относительно клетки меняется проходное сечение регулирующего органа. Благодаря каналам давления среды под затвором и над ним равны, а следовательно, затвор уравновешен. Отличительная особенность клеточных регулирующих органов - отсутствие резьбовых соединений внутри корпуса, что позволяет их ремонтировать без демонтажа корпуса регулирующего органа с трубопровода. Хорошая ремонтопригодность даёт при эксплуатации значительную экономию средств. 12.3. ПОРЯДОК РАСЧЁТА И ВЫБОРА ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ Ч яг т ь 2 СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ДОБЫЧИ И ПОДГОТОВКИ НЕФТИ И ГАЗА Глава 13 НАЗНАЧЕНИЕ ИО СНОВ Н Ы Е ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРОВ ПЛ К ) 13.1. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ПЛК В настоящее время микропроцессорная техника внедряется вовсе сферы деятельности человека. И современную автоматизацию трудно представить безучастия в ней микропроцессорных средств. Взять хотя бы компьютер, знакомый всем со школьной скамьи. А ведь этот самый компьютер - одно из важнейших про граммно-технических средств автоматизации. Есть еще одно микропроцессорное устройство, хорошо известное в кругу специалистов по автоматизации, - контроллер. Как и компьютер, контроллер - обязательный компонент любой современной системы управления. Контроллер получил свое название от слова control - управление. Уже из названия становится понятным, что основное назначение этого устройства - управление. Первая основная область применения контроллеров (е годы прошлого столетия) - дискретные системы управления, в основу функционирования которых положена логика. Так появилось название этих устройств, сохранившееся до настоящего времени - программируемые логические контроллеры (ПЛК). Следует отметить, что современные ПЛК далеко ушли в своем развитии от ранних представителей этого класса технических 170 средств автоматизации. За последние 8-10 лет существенно расширились их функции и вычислительные возможности. Сегодня ПЛК способны решать задачи по управлению сложными объектами как в непрерывных, таки в дискретных производствах. В иерархии уровней АСУТП (автоматизированной системы управления технологическими процессами) ПЛК занимают определенный уровень - первый или нижний (рис. 13.1). На их основе строятся системы автоматического управления (САУ) отдельными аппаратами, установками или блоками технологического процесса. Функционирование САУ происходит без постоянного присутствия обслуживающего персонала в автоматическом режиме по алгоритмами программам, созданным на стадии проектирования системы управления (прикладное ПО - программное обеспечение. Объект управления в этой иерархии представлен измерительными преобразователями (ИП) различных технологических параметров - давления, уровня, температуры, расхода и т.д., атак же исполнительными устройствами (ИУ) - регулирующими клапанами, кранами, задвижками. С помощью этих технических средств САУ осуществляют сбор данных, характеризующих состояние объекта, и реализуют управляющие воздействия на объект в целях обеспечения заданных (экономически целесообразных) режимов его функционирования. Уровень оперативно-производственной службы (ОПС) - в дальнейшем изложении материала второй или верхний уровень АСУТП - реализует оперативное и режимное управление технологическим процессом. Основные составляющие этого уровня - оперативный персонал (операторы, диспетчеры, специалисты) и свои программно-технические средства. К их числу, прежде Рис. Иерархия уровней в АСУ Т П 171 всего, относятся компьютеры, на базе которых создаются автоматизированные рабочие места (АРМ) операторов и специалистов, и серверы баз данных, в основу функционирования которых положено прикладное ПО. Присутствие оперативного персонала на этом уровне и определило самоназвание системы - АСУТП автоматизированная система управления технологическим процессом. Понятие автоматизированная по определению предполагает участие человека в управлении. Таким образом, АСУТП - это человеко-машинная система. Упрощенная структура комплекса программно-технических средств АСУТП представлена на рис. 13.2. Здесь также, как и на рис. 13.1 просматриваются два уровня - уровень локальных ПЛК, взаимодействующих с объектом посредством датчиков и исполнительных устройств, и уровень оперативного управления технологическим процессом (сервер, АРМ оператора. Такое представление АСУТП предполагает обозначение средств, обеспечивающих взаимодействие нижнего и верхнего уровней. Из рис. 13.2 видно, что такими средствами являются вычислительные сети. В небольших системах управления локальные ПЛК могут напрямую посети взаимодействовать с сервером и АРМ (без ин- Р и с . 13.2. Упрощённая структура АСУ Т П 172 терфейсного контроллера. Но имеется достаточно большое число проектов АСУТП, предусматривающих в своей структуре интерфейсные контроллеры (концентраторы. Примеры таких проектов будут рассмотрены в последних разделах учебника. В зависимости от задач, решаемых системой управления, контроллеры способны выполнять широкий набор функций. К основным (базовым) функциям локальных контроллеров относятся - сбор и первичная обработка информации о параметрах технологического процесса и состоянии оборудования - хранение технологической и вспомогательной информации - автоматическая обработка технологической информации - формирование управляющих воздействий - дискретное управление и регулирование - исполнение команд с пункта управления - самодиагностика контроллера - обмен информацией с верхним уровнем управления. Функция Сбор и первичная обработка информации подразумевает - циклический опрос устройств связи с объектом (УСО); - аналогово-цифровое преобразование сигналов - первичную обработку сигналов для компенсации воздействия помех (фильтрация сигналов - определение достоверности информации по отклонениям сигналов датчиков за пределы измерительного диапазона. Функция Хранение технологической и вспомогательной информации обеспечивает запись и хранение в памяти контроллера технологических данных и данных, обеспечивающих заданный режим работы технологического оборудования. Данная функция также обеспечивает сохранность информации при отказах технических средств или питания. Реализация функции Автоматическая обработка технологической информации, формирование управляющих воздействий предполагает дискретное управление в соответствии с алгоритмами управления, разработанными на этапе проектирования системы, и регулирование (стабилизация технологических параметров на заданном уровне) по стандартным (П, ПИ, ПИД) или специализированным алгоритмам. Функция Исполнение команд с пункта управления обеспечивает возможность вмешательства оперативного персонала в автоматическое ведение технологического процесса. При этом оперативный персонал может осуществлять пуск, отключение, переключение технологического оборудования, а также выполнять режимное управление процессом - задавать уставки регулирования, уровни срабатывания блокировок, сигнализаций, 173 Рис. Упрощенная схема контроллера 174 алгоритмов автоматического ввода резервного оборудования и др. Функция «Самодиагностика контроллера включает в себя проверку работоспособности как технических, таки программных средств контроллера с оповещением оперативного персонала. Функция Обмен информацией является одной из важнейших функций контроллера. Эта функция осуществляется в автоматическом режиме и реализуется специализированными средствами контроллера с использованием протоколов приема/переда чи данных. Упрощенная структурная схема контроллера представлена на рис. 13.3. Для формирования той или иной стратегии управления контроллер должен обладать входами, с помощью которых он определяет текущее состояние объекта управления, и выходами, посредством которых реализует управляющие воздействия. Информация (данные) от датчиков технологических параметров (Д) объекта управления поступает на вход контроллера (УСО - устройство связи с объектом. Одна из главных функций УСО - преобразование физического сигнала (напряжения, тока) в цифровой код. Ядром контроллера является микропроцессор (ЦПУ - центральное процессорное устройство. Через системную шину ЦПУ управляет всеми компонентами контроллера - памятью данных, памятью программ и интерфейсом с внешними системами. Данные от датчиков (Д) через входные каналы УСО поступают сначала в память данных контроллера (таблица входов. Эти данные используются программами обработки, хранящимися в памяти программ. После обработки входных данных по определенным алгоритмам полученные выходные данные помещаются в память данных (таблица выходов, откуда поступают на выходные каналы УСО. Одна из основных функций этого УСО - преобразование цифрового кода в физический сигнал (ток, напряжение. С выхода УСО управляющий сигнал поступает на исполнительное устройство (ИУ), которое и исполняет команду контроллера (открывается/закрывается кран, задвижка, изменяется расход материального потока через регулирующий клапан и т.п.). Значения входных данных передаются из памяти данных на верхний уровень системы управления (сервер базы данных, АРМ оператора) посредством интерфейсного устройства. Это же устройство используется для приема команд управления, поданных с рабочих станций оперативным персоналом. Таким образом, ПЛК - это программно-управляемый автомат, подключённый к объекту управления посредством входов и воздействующий на объект с помощью выходных сигналов. Стратегия управления формируется на основе заложенной программы. Наряду сформированием управляющих команд исполнительным устройствам ПЛК может управлять средствами сигнализации, а также обеспечивать взаимодействие с другими техническими средствами и подсистемами. 13.2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ Как устройство контроллер представляет собой набор электронных плат, объединённых системной шиной. Платы можно закрепить на шасси и всю сборку поместить в защитный корпус. На корпусе в этом случае надо предусмотреть разъёмы для подключения входных и выходных цепей. Такое конструктивное решение не всегда удобно. Для замены компонентов контроллера надо вскрывать корпус, что потребует определенного времени. Для безопасности работ потребуется и отключение контроллера от системы управления, что может оказаться недопустимым в некоторых случаях. Производителями контроллеров был найден ряд конструктивных решений, обеспечивающих быструю замену вышедших из строя компонентов без отключения самого контроллера, наглядную идентификацию состояния каждого из компонентов контроллера, хороший дизайн. Главным во всех этих решениях является модульный принцип построения контроллера. Смысл этого решения состоит в том, что платы контроллера стали помещать в пластиковые (редко в металлические) корпуса и назвали модулями. С внешней стороны модуля имеется стандартный разъём для установки его на системную шину контроллера, а также клеммы (разъёмы) для подключения внешних сигналов. Модуль (плата) с главным микропроцессором, различными типами памяти и коммуникационным процессором (обмен данными между компонентами контроллера) получил название центрального процессорного устройства (ЦПУ). Модули УСО для ввода сигналов сдатчиков и вывода сигналов на исполнительные устройства называют модулями ввода/вывода. Модули, обеспечивающие взаимодействие контроллера с внешними системами, называют коммуникационными (интерфейсными. Наконец, должен быть и модуль питания, обеспечивающий питание различных цепей компонентов контроллера. Для усиления вычислительной мощности центрального процессора контроллера могут использоваться модули сопроцессора (плата ведомого микропроцессора. Размеры модулей (ВхШхГ - высота, ширина, глубина, их внешнее оформление определяются производителем. Поэтому в большинстве случаев понятие взаимозаменяемость относится только к модулям, выпускаемым конкретным производителем. Но имеются типы контроллеров, в основу конструкции которых положен международный стандарт. Этот стандарт определяет не только геометрию модулей контроллера, но и системную шину, а также разъёмы для подключения к ней (например, шина VME или PCI). Не вдаваясь в подробности описания этих стандартных шин, следует сказать, что такой подход к построению контроллеров очень удобен, так как позволяет строить контроллеры на базе компонентов разных производителей, которые гарантированно будут взаимодействовать между собой. Для объединения различных модулей в единое устройство - контроллер - существует несколько решений. Первое из них - металлический или пластиковый корпус (крейт, корзина, во внутреннюю заднюю стенку которого встроена системная шина с разъёмами для подключения модулей. По направляющим рейкам модули вставляются в корпус и фиксируются в разъёмах. Производители выпускают корпуса на различное количество установочных мест для модулей (рис. 13.4). В связи с этим следует сказать, что некоторые модули могут входить в обязательный комплект корпуса контроллера. Как правило, к таким модулям относятся модуль питания и модуль |