Глава 12. Усовершенствованное управление процессом
787
• Пакеты позволяют производить автонастройку конту- ра и в ручном режиме, и в автоматическом;
• Методы настройки применимы к широкому спектру и инерционных, и динамичных процессов;
• Имеют простой интерфейс оператора;
• Пакеты легко интегрируются в среду практически всех известных систем управления;
• Реализуют широкий набор известных методов на- стройки.
По результатам настройки выдается отчет.
В отчете указывается, кто и когда выполнял настройку, содержатся исходные и итоговые параметры настройки, дина- мические характеристики процесса и используемые при на- стройке правила.
Отчетная информация автоматически сохраняется в архи- ве, и при следующем запуске пакета может использоваться в качестве исходных значений параметров настройки для дан- ного контура.
Опытный инженер может воспользоваться экспертным режимом, и задействовать альтернативные методы настройки, такие как
• Модифицированный метод Зиглера-Николса;
• Настройка по заданному коэффициенту усиления и за- пасу по фазе;
• Метод лямбда и лямбда - среднего;
• Предиктор Смита, или
• Метод настройки по внутренней модели.
Модифицированный метод Зиглера-Николса для про- порционально-интегрального регулирования базируется на методе Зиглера-Николса с поправками, минимизирующими перерегулирование.
Метод задания коэффициента усиления и запаса по
фазе для ПИД-регулирования задает первоначальный запас по фазе, который в большинстве случаев обеспечивает мини- мальное перерегулирование, то есть переменная процесса не будет значительно отклоняться от заданного значения. Более медленный отклик с меньшим перерегулированием в боль- шинстве случаев может быть достигнут при увеличенном за- пасе по усилению и запасе по фазе.
788
Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка Метод лямбда для ПИ-регулятора позволяет оценить от- ношение постоянной времени замкнутого контура к постоян- ной времени разомкнутого контура как характеристический коэффициент лямбда.
Метод лямбда-среднего предназначен для контуров ПИ -
регулирования объектов без самовыравнивания, например, уровня в емкости.
Предиктор Смита эффективен в случаях, когда запазды- вание процесса больше постоянной времени этого процесса.
Метод управления по внутренней модели обеспечивает настройки пропорциональной, интегральной и дифференци- альной составляющим на основе модели первого порядка с запаздыванием. Модель процесса настраивается в процессе испытаний. Метод IMC
(Internal Model Control) особенно по- лезен, когда запаздывание процесса больше половины посто- янной времени этого процесса. Величина запаздывания про- цесса и постоянная времени процесса отображаются на экране настройщика в окне результатов теста. Если используется экс- пертный режим, то не нужно повторно вводить исходные па- раметры для следующих тестовых испытаний. Как только на- стройщик определит динамические характеристики контура, он вычислит новые параметры для другого метода настройки.
Базовыми блоками в пакетах настройки являются блоки
ПИД-регулятора. Автонастройщик может использоваться для автоматического вычисления пропорциональной, интеграль- ной и дифференциальной составляющей для конкретного про- цесса на основе выбранного типа процесса и метода настрой- ки. Автонастройщик может также автоматически вычислять параметры нечеткой логики, обеспечивающие наилучший от- клик.
Применение функций автонастройки должно находиться под жестким контролем. Как правило, доступ к этим функци- ям организуется с инженерной станции РСУ. Физический дос- туп к самой инженерной станции должен быть возможен только для ограниченного круга лиц, имеющих специальный допуск. Функции перенастройки также дополнительно защи- щаются от несанкционированного доступа. Запуск автона- стройки возможен только в том случае, если разработчик об- ладает необходимыми привилегиями на инженерной станции, используемой для работы с пакетом.
Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 789
Критичные ко времени операции, связанные с идентифи- кацией процесса, реализуются в функциональных блоках. Та- кой подход позволяет определять динамические свойства про- цесса более точно за счет исключения ошибок, возникающих из-за задержек обмена данными. Часть пакета, находящаяся в инженерной станции, поддерживает отображение параметров контроллера и вычисление настроек на основе динамических свойств процесса, определяемых функциональным ПИД- блоком. Перед началом процесса настройки необходимо убе- диться в том, что
контур является относительно стабильным, а переменная процесса PV находится вблизи значения SP. Если выход контроллера постоянно изменяется из-за шумов и не- стабильности процесса, то лучше начать настройку контура с ручного режима. Иногда это может обеспечить лучшие ре- зультаты.
Если переменная процесса PV стабильна, но выход кон- троллера постоянно изменяется, то может понадобиться защи- та контура от шумов. Если настраиваемый контур имеет очень высокий уровень шумов, то параметры настройки, вычисляе- мые автонастройщиком, могут оказаться неприемлемыми. По- этому если значения SP и PV слишком далеки друг от друга, то в начале тестирования должно выдаваться предупредитель- ное сообщение.
С другой стороны, изменение выхода регулятора должно вызвать соответствующее изменение переменной процесса.
Если изменение PV недостаточно велико, процесс настройки может не начаться вовсе из-за отсутствия автоколебаний.
Колебания могут отсутствовать в следующих случаях:
• Незначительные возмущения нагрузки не влияют на
PV;
• Слишком большой шум в контуре;
• Регулирующий клапан неисправен.
В то же время, в процессе настройки необходимо соблю- дать большую осторожность, чтобы ступенчатое возмущение на процесс не привело к срабатыванию блокировки. Поэтому необходимо тщательно следить за соблюдением следующих условий:
• Во время настройки параметры SP, PV, и выход конту- ра OUT никогда не должны достигать окрестности своих предаварийных значений.
790 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка
• Во время настройки параметры SP, PV не должны дос- тигать 10% до верхней и нижней границы шкалы в инженерных единицах, а выход OUT не должен дости- гать 10% до сконфигурированной шкалы выхода.
Период настройки.
На рисунке 12.2 приведена типичная временная диаграм- ма ступенчатого релейного возмущения и отклика переменной процесса PV при настройке. Реле возмущений переключается в моменты времени, когда PV переходит через значение зада- ния SP.
Амплитуда ступенчатых возмущений d обычно составля- ет от 5 до 10% от диапазона выхода регулятора. Для управ- ляющих блоков это соответствует изменению выходного зна- чения OUT в процентах. Изменение переменной процесса PV максимально на этапе инициализации, то есть во время перво- го периода колебаний. Обычно, выходная переменная процес- са PV может изменяться от 1 до 5% от шкалы PV.
Рис. 12.2
Колебания должны продолжаться как минимум в течение одного периода после инициализации. Если для настройки используется большее число периодов колебаний, то для оп- ределения результирующего коэффициента усиления приме- няется средняя амплитуда колебаний. Автонастройщик ис- пользует по умолчанию два периода колебаний настройки, и определяет амплитуду как среднюю амплитуду колебаний.
Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 791
Во время периодов колебаний, следующих за инициали- зацией (периоды настройки), переключения ступенчатых воз- мущений блокируются в начале каждого полупериода для увеличения устойчивости настройщика к шуму. Длительность этих блокировок переключения зависит от зоны нечувстви- тельности настраиваемого контура, которая определяется в течение цикла инициализации.
В некоторых случаях переменная процесса характеризу- ется высоким уровнем шума или большими возмущениями нагрузки. В таких условиях лучшие результаты могут быть получены при использовании гистерезиса ступенчатых воз- мущений, или при увеличенной длительности тестирования процесса.
Гистерезис колебаний. Для
процессов с высоким уровнем шума, необходимо на- строить величину гистерезиса ступенчатых возмущений для дополнительной защиты от шумовых составляющих процесса.
При конфигурировании гистерезиса, реле переключается только в том случае, если PV отличается от SP на указанное значение. При стабильных условиях процесса соотношение между входом и выходом может быть выражено передаточной функцией. В общем виде передаточная функция процесса мо- жет быть представлена размахом (или амплитудой) и углом
(или фазовым сдвигом).
Конфигурация регулятора. Пакеты автонастройки имеют широкий набор методов на- стройки и различных установок, которые могут быть исполь- зованы для достижения наилучшей настройки контура. Ниже даны некоторые общие рекомендации.
• После изменения значений настройки необходимо по- наблюдать за контуром некоторое время, чтобы про- верить его реакцию на шум, возмущения нагрузки, и небольшие ступенчатые изменения заданного значения
SP;
• Если качество регулирования контура неудовлетвори- тельное, можно сначала изменить установки для от- клика контура (медленный, нормальный, быстрый);
• Если качество регулирования контура по-прежнему не устраивает, существует возможность использовать другой тип переходного процесса.
792 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка
• Значение отклика по умолчанию Normal соответствует средней чувствительности. При выборе Fast, измене- ние выхода контроллера будет иметь большее значе- ние, и отклик контура будет быстрее. При выборе Slow достигается обратный эффект.
Чувствительность контура определяет скорость, с которой контур реагирует на изменение задания и изменения перемен- ной процесса. Рекомендуемое значение коэффициента про- порциональности для конкретного процесса зависит от откли- ка контура:
• Как правило, по умолчанию в начале настройки ис- пользуется модифицированный метод настройки Зиг- лера-Николса. Если обнаруживается, что результаты настройки являются неудовлетворительными, то мож- но выбрать из меню другой метод настройки;
• Если есть ощущение неточности некоторых из коэф- фициентов после стандартной настройки, то можно вручную изменить нужные коэффициенты;
• После завершения настройки можно повторно изме- нить настройки и вычислить новые значения, снова выполнить настройку контура, или изменить вычис- ленные значения. Для наблюдения за откликом конту- ра во время настройки используется окно трендов.
12.2. Общие рекомендации для выбора метода настройки
Для большинства ординарных контуров регулирования расхода, уровня жидкости и давления газа используется про- стое ПИ-регулирование. ПИД-регулирование, каскадное, или с упреждающей коррекцией управление используется для ре- гулирования температуры, рН и связного регулирования. Од- нако связное регулирование может потребовать некоторых ограничений на дифференциальную составляющую.
Если первоначально контур настроен методом проб и ошибок, и он работает удовлетворительно, то имеет смысл попробовать настроить его с помощью автонастройщика более точно. Если значения, вычисленные автонастройщиком, суще- ственно отличаются от значений, найденных по методу "проб и ошибок", то следует очень внимательно их изучить, прежде чем изменять параметры настройки контура.
Глава 12. Усовершенствованное управление процессом
793
Существуют ограничения на конфигурацию ПИД- регулятора для некоторых приложений. Например, если от- ношение времени запаздывания по каналу регулирования к постоянной времени процесса превышает единицу, то качест- во ПИД-регулирования не может быть гарантировано.
Поэтому результаты автонастройки должны быть тща- тельно проверены. Если отклик контура неприемлем, то воз- можно, понадобиться изменить результаты настройки. Для таких приложений лучшие результаты может обеспечить ис- пользование для управления предиктора Смита.
Далее приведены типичные примеры приложений при ра- боте с пакетами автонастройки:
• Классический контур с обратной связью;
• Каскадный контур регулирования;
• Контур регулирования по упреждению.
12.3. Автонастройка контура с обратной связью
Пример настройки контура с обратной связью относится к контуру регулирования температуры на приведенной ниже схеме (рис. 12.3). В этом простом примере вода нагревается за счет конденсации насыщенного пара, подаваемого в теплооб- менник.
SP J
Рис. 12.3
После настройки контура и перевода его в рабочий ре- жим, необходимо проверить отклик на изменения задания SP, и на возмущения по нагрузке. Если контур имеет слишком большое перерегулирование, то необходимо выбрать настрой- ки с меньшим коэффициентом пропорциональности.
794
Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка 12.4. Автонастройка каскадных контуров управления Каскадные
контуры являются составными, поэтому они настраиваются особым образом:
• Сначала нужно настроить вторичный (подчиненный) контур;
• И только затем - первичный ("мастер") контур регули- рования.
В качестве примера рассмотрим каскадный контур регулиро- вания уровня (см. рис. 12.4):
• Первичный контур регулирует уровень;
• Вторичный контур регулирует расход на входе.
функциональная схема к?дуяднгц-о контура управления Для настройки каскадного регулятора уровня, приведен- ного на данной схеме, необходимо выполнить следующие ша- ги:
• Перевести вторичный контроллер в режим Авто или
Ручной для того, чтобы контур стабилизировался;
• Настроить вторичный контур с помощью автона- стройщика или вручную так, как если бы это был оди- ночный контур;
Рис. 12.4
Глава 12. Усовершенствованное управление процессом
795
• Перевести вторичный контроллер в Каскадный режим;
• Установить SP первичного контроллера в значение PV;
• Настроить первичный контур с помощью автона- стройщика.
12.5. Автонастройка контуров регулирования
по упреждению
Чтобы настроить упреждающую коррекцию в конту- ре регулирования по упреждению, необходимо зафикси- ровать значение самой упреждающей коррекции (она должна быть константой) во время процесса настройки.
Функциональная схема контура управления по упреждению
Контур регулирования температуры по упреждению на приведенной схеме (рис. 12.5) похож на обычный контур ре- гулирования температуры воды на выходе теплообменника, описанный выше, за исключением того, что расход воды, про- ходящей через теплообменник, заводится в регулятор темпе- ратуры как упреждающая коррекция.
Для настройки регулятора уровня по упреждению необ- ходимо выполнить следующие шаги (рис. 12.6):
• Выключить упреждающую коррекцию контура;
• С помощью автонастройки настроить контур управле- ния так, как если бы это был обычный контур;
• Включить упреждающую коррекцию контура.
Упреждающая коррекция
Конденсат
Рис. 12.5
796 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка
Блок-схема алгоритма управления по упреждению
Сигнал упреждающей
коррекции
©
КЛЮЧ
упреждения
ПИД
Задание
температуры
AND
+
AND
+
Рис. 12.6
12.6. Усовершенствованное управление технологическим
процессом
Грамотное применение схем связного управления с уп- реждением способно дать необыкновенный эффект стабили- зации процесса и соответствующего стабильного качества продукции, и, что не менее актуально, - в энергосбережении.
В этом разделе приводится вполне реальный пример при- менения алгоритмов усовершенствованного управления, дающий общее представление о современных методах управ- ления. Исходная схема автоматизации приведена на рисунке
12.7. Модифицированная и усовершенствованная схема авто- матизации приведена на рисунке 12.8.
Повышение качества конечного продукта.
Качество конечного продукта может быть в существенной степени улучшено за счет использования в алгоритмах регу- лирования комбинированных схем управления, когда тради- ционные контуры управления по обратной связи сочетаются с контурами управления по возмущению (упреждению).
Причем наиболее значительный эффект от применения алгоритмов управления по возмущению проявляется именно в наиболее типичных для нас условиях эксплуатации, при кото- рых возникает частая необходимость в изменении нагрузки на установку. С этой целью в исходную схему управления введе- ны следующие вычислительные блоки и блоки управления.
Глава 12. Усовершенствованное управление процессом
797
Управление дозировкой катализатора.
Блок FFIC-01 - блок расчета требуемого расхода катали- затора по заданному соотношению расходов катализатора и
Реагента 1. Блок работает следующим образом:
Исходя из заданного значения соотношения потоков ката- лизатора F2 и Реагента 1 F1, равного (F2/F1)
sp
, вычисляется требуемое опорное значение расхода катализатора FF2
SP
:
FF2
SP
= j
F1
(
12Л
)
где F1 - текущее значение расхода Реагента 1.
Замечание
Использование упреждающего регулятора по действи-
тельному, а не заданному значению нагрузки на установку
позволяет не только синхронизировать подачу катализатора,
Реагента 2 и стабилизатора при изменении нагрузки на ус-
тановку, но и вплотную подойти к автоматизации пуска и
останова данного узла.
Блок FFY- 01. По изменению вычисленного блоком AIC-
01 корректирующего изменения расхода катализатора:
AF2
SP
= К - (pH1
SP
- рН1)
и по выходу блока соотношения FFIC-01 определяется новое заданное значение расхода катализатора F2:
F2
SP
=FF2
SP
+ AF2
SP
(12.2)
Найденное значение позволяет вычислить величину, на которую необходимо скорректировать задание уровня для ре- гулятора LIC-01:
F?
sp
• At
A L1 — — — К1 • At • F2
SP
, (12.3)
Р'9'S
где р - Плотность катализатора;
g - Ускорение свободного падения;
S - Площадь поперечного сечения емкости с катализатором Е-1;
At - интервал работы алгоритма компенсации возмущений.
Дополнительно, с целью защиты процесса при критиче- ском уменьшении-запаса катализатора в емкости Е-1, в систе- му вводятся следующие функции:
798 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка
1) Предупредительная сигнализация по нижнему преда- варийному пределу уровня в емкости Е-1 на регулято- ре LIC-01, и
2) Блокировка подачи Реагента 1 по аварийному исчер- панию запаса катализатора LSLL-01 в емкости Е-1 с помощью отсекателя XV-01, оснащенного концевика- ми с сигнализацией положения.
Управление дозировкой реагента 2.
Блок FFIC-02 - блок расчета требуемого расхода Реагента
2 по заданному соотношению потоков Реагента 2 и Реагента 1.
Блок работает следующим образом:
Исходя из заданного значения соотношения потоков Реагента
2 F4 и Реагента 1 F1, равного (F4/F1)
SP
, вычисляется заданное значение расхода Реагента 2 FF4
sp
:
где F1 - текущее значение расхода Реагента 1 (см. предыду- щее Замечание). Это значение выдается в качестве задания регулятору расхода Реагента 2 FIC-04.
Управление дозировкой стабилизатора. Полностью аналогично алгоритму управления дозировкой катализатора
(См. рис. 12.8). Соответствующая цепочка блоков —
FIC-01 - FFIC-03 - FFY-03(AIC-02) - LIC-02(LSLL-02)
Экономия пара.
Почти вся энергия, используемая для нагрева реакцион- ной смеси, поступает за счет скрытой теплоты парообразова- ния, которая отдается при конденсации пара.
Скорость, с которой происходит конденсация пара и от- дача тепла, зависит от давления пара в рубашке реактора и от температуры реакционной смеси. Открытие клапана на линии подачи пара позволяет подавать пар с большим расходом, что приводит к повышению давления пара в рубашке и, следова- тельно, к увеличению передачи тепла реакционной смеси.
Проблема, которая возникает в одноконтурной схеме ре- гулирования температуры реакционной смеси (см. контур
TIC-02 на исходной схеме рис. 12.7) состоит в том, что давле- ние пара может неожиданно меняться. В таком случае изме- нится и расход пара и, следовательно, температура реагентов будет отличаться от заданного значения.
(12.4)
Скачать 6.47 Mb.