лекции по сухтп. В системы управления химикотехнологическими процессами значение автоматического управления для развития химической промышленности на современном этапе
 Скачать 2.38 Mb.
|
|
Рис. 35. Система управления ректификационной установкой, основанная на одноконтурных САР отдельных технологических параметров: / — регулятор температуры верха колонны; 1а — регулятор расхода дистиллята; 2 — регулятор температуры питания; 3 — регулятор уровня в кубе колонны; 4 — регулятор уровня во флегмовой емкости; 5 — регулятор давления в колонне; 6 — регулятор расхода греющего пара; 6а — регулятор температуры низа колонны Примечание Одновременное регулирование составов (или температур) верха и низа колонны обычно не применяют, так как эти координаты связаны между собой, и их одновременное регулирование по обратной связи может привести к снижению запаса устойчивости системы. Недостатки. Стабилизация расхода греющего пара без учета реальной обстановки в системе обычно приводит к перерасходу пара, поскольку регулятору расхода устанавливается завышенное задание с учетом возможных колебаний энтальпии греющего пара, переохлаждения флегмы и других возмущающих воздействий в процессе. Отсутствие компенсирующих воздействий по возмущениям со стороны питания приведет к большим динамическим ошибкам регулирования составов продуктов, так как регулятор состава (или температуры) на конце колонны получит сигнал об отклонении регулируемой координаты от заданного значения лишь после того, как изменится состав жидкости по всей высоте колонны. Использование температуры продукта для регулирования его состава имеет еще один существенный недостаток: колебания температуры при изменении состава соизмеримы с ее колебаниями при изменении давления в колонне и часто оказываются соизмеримы с погрешностью измерительных устройств. На практике при разделении близкокипящих смесей веществ сколько-нибудь ощутимые колебания температуры можно наблюдать только в средней части каждой секции колонны. Эту особенность следует учитывать при выборе измерительного устройства, а также места отбора импульса по температуре. Второй вариант (рис. 36). Чтобы обеспечить минимизацию энергозатрат на разделение, применяют регулятор соотношения расходов греющего пара и питания (или расходов флегмы и питания) 6. Кроме того, для регулирования температуры продукта применяют каскадную САР с дополнительным импульсом по производной от температуры на контрольной тарелке (регуляторы 7 и 1а), что уменьшает максимальную ошибку регулирования. Третий вариант (рис. 37) реализуется с применением средств вычислительной техники. Здесь расходы дистиллята и греющего пара регулируются регуляторами 1 и 6, задания которым корректирует вычислительное устройство 7 в зависимости от расхода и состава питания и энтальпии греющего пара, учитывая динамические характеристики ректификационной колонны. Эта САР должна обеспечить приближенную инвариантность системы по отношению к контролируемым возмущающим воздействиям.  Рис. 36. Система управления ректификационной установки со статической компенсацией возмущающих воздействий по расходу питания и с каскадной САР температуры верха колонны: / — регулятор температуры верха колонны; la— дифференциатор; 2 — регулятор температуры питания; 3 — регулятор уровня в кубе колонны; 4 — регулятор уровня во флегмовой емкости; 5 — регулятор давления в колонне; 6 — регулятор соотношения расходов питания и греющего пара  Рис. 37. Система управления ректификационной установки с компенсацией возмущающих воздействий по расходу и составу питания и температуре греющего пара: / — регулятор расхода дистиллята; 2 — регулятор температуры теплоносителя; 3 — регулятор уровня в кубе колонны; 4 — регулятор уровня во флегмовой емкости; 5 — регулятор давления в колонне; 6 — регулятор расхода греющего пара; 7 — вычислительное устройство Примечание Неконтролируемые возмущающие воздействия (например, переохлаждение флегмы) могут привести к нарушению режима в ректификационной колонне и отклонению состава конечного продукта от заданного. 3. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Технические средства САУ обычно разделяют на четыре группы в зависимости от выполняемых ими функций: устройства получения информации о состоянии объекта управления (датчики, нормирующие преобразователи, устройства формирования алфавитно-цифровой информации); устройства приема, преобразования и передачи информации (коммутаторы, преобразователи сигналов и кодов, шифраторы и дешифраторы, согласующие устройства); • устройства обработки информации, формирования команд управления и представления информации операторам (анализаторы сигналов, логические устройства, устройства памяти, регуляторы, за-датчики, управляющие вычислительные устройства); • устройства использования командной информации для воздействияна объект управления (регулирующие органы, исполнительные механизмы, усилители мощности и вспомогательные устройства к ним). В основе построения технических средств автоматизации лежат принципы агрегатизации и унификации, предусматривающие выполнение различных устройств по единым информационным, конструктивным и эксплуатационным требованиям. Реализация этих принципов привела к разработке и организации серийного производства агрегатных комплексов средств автоматизации. Конкретные технические решения на основе принципов агрегатизации и унификации зависят от уровня развития средств автоматизации. Эволюция средств, в частности элементной базы, влечет за собой изменение этих решений. 3.1. Основные разновидности управляющих устройств, применяемых в системах управления ХТП Классификацию управляющих устройств (регуляторов) выполняют по различным признакам. 1. По виду регулируемой величины: регуляторы температуры, расхода, давления, уровня, концентрации, рН и т. д. Замечание Созданы регуляторы универсального типа, предназначенные для регулирования различных технологических параметров. В этих устройствах специфические особенности имеют первичный измерительный преобразователь, измеряющий значение регулируемого параметра, и нормирующий преобразователь, преобразующий измеренное значение регулируемого параметра в эквивалентное значение унифицированного электрического или пневматического сигнала. По характеру перемещения регулирующего органа (РО) регуляторы делят на регуляторы непрерывного и дискретного действия. В регуляторах непрерывного действия РО при непрерывном изменении регулируемой величины перемещается непрерывно. РО регуляторов дискретного действия перемещается только при достижении изменяющейся регулируемой величиной определенных заданных значений. По источнику энергии для перестановки регулирующего органа различают регуляторы прямого и непрямого действия. Регуляторы прямого действия работают без использования постороннего источника энергии, отбирая энергию, необходимую для функционирования системы регулирования, у объекта регулирования. В автоматических регуляторах непрямого действия необходимая для работы системы регулирования энергия подводится извне. В зависимости от вида используемой энергии регуляторы непрямого действия подразделяются на электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные (электропневматические, электрогидравлические и т. д.). Выбор регулятора по виду используемой энергии определяется характером объекта регулирования и особенностями автоматической системы. 4. По закону регулирования (по виду математической зависимости между выходной и входной величинами регулятора) регуляторыделятся на линейные и нелинейные. Регуляторы с линейными законами регулирования в свою очередь подразделяются на: интегральные (И-регуляторы); пропорциональные (П-регуляторы); пропорционально-интегральные (ПИ-регуляторы); пропорционально-дифференциальные (ПД-регуляторы); пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД-ре-гуляторы). Типовые линейные законы регулирования подробно разобраны ранее в разд. 4.3. Примером регуляторов с нелинейным законом регулирования могут служить позиционные регуляторы и, в частности, двух- и трех-позиционные регуляторы. 5. По конструктивным признакам управляющие устройства разделяют на приборные и блочно-модульные. Приборные управляющие устройства (приборные регуляторы) предназначены для щитового монтажа. Надежны и просты в эксплуатации, служат для построения сравнительно несложных систем контроля и регулирования. В большинстве случаев идея агрегатирования пронизывает построение управляющих устройств — от элементной базы до сложных многофункциональных устройств регулирования. Различают три уровня агрегатирования: элементный, модульный и блочный. Элементный принцип предполагает использование формализованных методов построения схем, реализующих заданный алгоритм, что намного упрощает проектирование новых технических средств. Элементы унифицированы, возможно многократное применение одного и того же элемента в одной схеме управляющего устройства и использование его в схемах самых различных управляющих устройств. Каждый элемент выполняет вполне определенную функцию, имеет заданные технические характеристики и при включении в схемы управляющих устройств не требует дополнительной отладки. Модульный принцип предполагает построение устройств из ряда элементов для выполнения самостоятельных функций. Блочный принцип предполагает построение устройств из ряда однотипных модулей. На основе блочно-модульного принципа конструируют управляющие устройства, предназначенные для построения сложных аналогово-дис-кретных систем контроля и регулирования с числом параметров до нескольких сотен. 3.2. Автоматические регуляторы прямого и непрямого действия 3.2.1. Регуляторы прямого действия В регуляторах прямого действия воздействие регулируемой величины на первичный измерительный преобразователь регулятора служит своеобразным источником энергии как для формирования закона регулирования, так и для перемещения затвора регулирующего органа. К. таким регуляторам энергия извне не подводится. Автоматические регуляторы прямого действия широко применяются в системах стабилизации таких технологических параметров, как давление, расход, уровень, температура и т. д.  Рис. 61. Регулятор давления прямого действия: / — мембрана; 2 — пружина; 3 — шток; 4 — затвор; 5 — седло; 6 — импульсная трубка Регуляторы прямого действия имеют определенные преимущества по сравнению с регуляторами непрямого действия. Первые автономны (не потребляют энергию от посторонних источников), не имеют искрообразующих элементов (что важно для химической технологии, изобилующей пожароопасными и взрывоопасными производствами), надежны (имеют небольшое количество элементов), просты в изготовлении, монтаже и ремонте. На рис. 61 показан автоматический регулятор давления прямого действия, поддерживающий заданное значение давления среды в трубопроводе после регулирующего клапана, т. е. «после себя». Конструктивно регулятор выполнен в виде клапана с мембранным приводом. На мембрану / оказывают воздействие давление измеряемой среды в трубопроводе и противодействующая пружина 2. Все регуляторы прямого действия, как правило, реализуют наиболее простой закон регулирования — пропорциональный. 3.2.2. Регуляторы непрямого действия Электрические автоматические регуляторы применяются для регулирования невзрывоопасных объектов при больших расстояниях от пультов управления до объекта регулирования. Достоинства: относительная простота реализации сложных схем автоматического управления; наличие на объектах управления электрической энергии; возможность при необходимости разработки систем регулирования без подвижных частей; большое быстродействие при передаче, переработке и отображении информации, выработке и передаче управляющих сигналов. Недостатки: повышенная стоимость обеспечения безопасности (при работе во взрывоопасных зонах); повышенная опасность (поражение обслуживающего персонала электрическим током); сложность устройства (особенно электронных, микропроцессорных); необходимость в обслуживающем персонале высокой квалификации. Пневматические автоматические регуляторы применяются во взрывоопасных и пожароопасных зонах и помещениях при небольших расстояниях (до 400 м) от пультов управления до объекта регулирования. Достоинства: относительная простота конструкции всех элементов регулятора; простота в обслуживании и наладке; пожаро- и взрывобезопасность. Недостатки: необходимость в специальном источнике питания систем пневмоавтоматики сжатым воздухом; высокие требования к очистке воздуха от пыли, влаги и масла; большая инерционность элементов пневмоавтоматики, линий связи и ограниченность в связи с этим их протяженности. Гидравлические регуляторы применяются в пожаро- и взрывобе-зопасных помещениях, как правило, при непосредственном размещении элементов регулятора в зоне объекта регулирования. Достоинства: гидравлические регуляторы надежны в работе, их исполнительные механизмы при небольших размерах развивают большие перестановочные усилия. Недостатки: необходимость в специальном источнике питания регулятора рабочей жидкостью (в большинстве случаев — маслом); ограниченность радиуса действия; требование полной герметизации всех элементов регулятора и линий связи; трудность реализации сложных законов регулирования. Комбинированные регуляторы применяются в тех случаях, когда необходимо использовать отдельные преимущества электро-, пневмо- или гидрорегуляторов. Например, если требуется разработать автоматическую систему регулирования взрывоопасным объектом при большом удалении пульта управления от объекта, то можно применить электропневматические регуляторы. Первичный измерительный преобразователь (датчик), исполнительный механизм и линии связи в пределах взрывоопасных зон выполняют с использованием энергии сжатого воздуха, а элементы регулятора на пульте управления и линии связи до объекта управления — с использованием электрической энергии. Сопряжение линий электрической связи с пневматическими линиями связи осуществляют на границах взрывоопасных зон с помощью специальной преобразующей пневмоэлектрической и электропневматической аппаратуры. Так, пневматический сигнал от датчика с помощью пневмоэлектропреобразователя преобразуется в эквивалентный электрический сигнал, который передается по электрическим линиям связи на электрические элементы регулятора в пульт управления, а электрический сигнал от пульта управления с помощью электропневмопреобразователя преобразуется в эквивалентный пневматический сигнал, который по пневматическим линиям связи поступает на пневматический исполнительный механизм. 3.4. Исполнительные устройства Устройство автоматической системы управления, воздействующее на технологический процесс в соответствии с полученным от управляющего устройства командным сигналом, называется исполнительным устройством. Выходным параметром исполнительного устройства (ИУ) является расход вещества или энергии, поступающих в объект управления или выходящих из него, а входным — командный сигнал управляющего устройства. Исполнительное устройство содержит, как правило, несколько функциональных блоков: усилитель мощности; исполнительный механизм; регулирующий орган; датчик положения; блок обратной связи; блок сигнализации крайних положений; блок ручного управления. В зависимости от конкретных условий структура и конструкция ИУ могут существенно различаться. Например, если управляющим воздействием является изменение потока электроэнергии (в аппаратах с электрообогревом, в электролитических ваннах, в электролизерах), то необходимость в исполнительном механизме и регулирующем органе отпадает, а роль исполнительного устройства играет усилитель. В ряде устройств регулирующий орган является частью технологического оборудования. Например, при формовании полимерных пленок, асбестоцементных плит, металлического проката толщина изделия регулируется за счет изменения расстояния между прокатными валками, которые и являются в данном случае регулирующим органом. Замечание Структура исполнительного устройства может быть разнообразной. Например, микропроцессорная техника позволяет регуляторы встраивать в исполнительные устройства, тем самым превращая ИУ в комбинированные устройства для управления различными технологическими параметрами. По виду действия ИУ делятся на нормально открытые (НО) и нормально закрытые (НЗ). При прекращении подвода энергии, создающей перестановочные усилия, проходное сечение нормально открытого ИУ полностью открывается (рис. 74, а), нормально закрытого ИУ — полностью перекрывается (рис. 74, б). Исполнительные устройства типа НО целесообразно применять, когда при аварийном прекращении подачи воздуха в исполнительный механизм безопасно иметь открытую технологическую линию (трубопровод). В противном случае применяют исполнительные устройства типа НЗ. Например, в ректификационной колонне на технологических линиях подачи исходного сырья и теплоносителя для его подогрева, а также на линиях отбора высококипящего и низко-кипящего компонентов ставят исполнительные устройства типа НЗ; на линиях же подачи пара в куб ректификационной колонны и орошения в верхнюю часть (укрепляющую) ректификационной колонны устанавливают исполнительные устройства типа НО. В случае аварийной ситуации ректификационная колонна работает «сама на себя». Из такого состояния ректификационную колонну легче вывести на заданный режим, чем из состояния полного ее останова.   |