Располагаемая работа и обратимые процессы

Процесс, в котором состояние жидкости изменяется благодаря приложенной работе и в котором жидкость, возвращаясь в исходное состояние, может произвести такое же количество работы, называ­ется обратимым. Примером обратимого процесса является процесс в идеальном компрессоре, работающем на идеальном газе. Работа, приложенная к компрессору, может повысить давление и темпера­туру газа. Если система совершенна, расширение газа может произвести в точности такое же количество работы, которое было затрачено на его сжатие. Хотя потери на трение и тепловые потери, приводят на практике к тому, что восстановится меньшее количество работы, чем было приложено, процесс сжатия-расши­рения по крайней мере теоретически является обратимым. Но если сжатый газ расширяется при истечении через отверстие и охлаждается до своего исходного состояния, работа не восстанавли­вается. Процесс расширения при истечении через отверстие и процесс теплопередачи теоретически необратимы. Тео­ретически невозможно преобразовать в работу всю энергию, содер­жащуюся в нагретой жидкости. Но максимальное преобразование энергии в работу для любого заданного состояния достигается в обратимом процессе.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА - НЕОБРАТИМЫЙ ПРОЦЕСС

Рабочее тело в тепловом двигателе должно получать тепло, чтобы его температура повысилась до максимума, и отдавать теп­ло, чтобы его температура понизилась до минимума. Разность меж­ду количествами получаемого и отдаваемого рабочим телом тепла представляет собой работу, произведенную двигателем. Так как на поверхности, через которую происходит передача тепла, должна существовать некоторая разность температур, пропорциональная теп­ловому потоку, то рабочее тело никогда не нагревается до темпера­туры источника тепла и никогда не охлаждается ао температурь, окружающей среды. Следовательно, работа, которую можно получить от горячего рабочего тела, всегда меньше располагаемой работы в отношении, равном отношению этих разностей температур. Эта потеря располагаемой работы обусловлена необратимостью, прису­щей процессу теплоотдачи, и ее можно непосредственно вычислить в виде прироста энтропии.

2-2 Регулирование абсорбционных и выпарных установок.

Выпарные установки. Регулирование с помощью двухконтурных систем. Улучшить качество регулирования можно, используя многоконтурное ре­гулирование расхода свежего раствора, упаренного раствора и паров растворителя с коррекцией соответственно по темпера­турной депрессии, уровню и давлению в аппарате.

Регулирование разрежения в вакуум-выпарных аппаратах. Разрежение в вакуум-выпарных аппаратах создастся с помощью барометрических конденсаторов и вакуум-насосов, служащих для отсоса смеси несконденсировавшихся газов с воздухом. Ре­гулировать разрежение можно изменением расхода и темпера­туры воды; расхода паров растворителя, поступающих в баро­метрический конденсатор; расхода воздуха, подсасываемого вакуум-насосом из атмосферы. Наиболее часто применяют послед­ний способ.

Регулирование концентрации упаренного раствора изменением его расхода. В отдельных случаях для предотвращения ого­ления греющих труб кипятильника предъявляют повышенные требования к узлу регулирования уровня в выпарном аппарате. Качество регулирования уровня можно улучшить, внося регу­лирующие воздействия изменением расхода свежего раствора. Концентрацию Q_{у p} в этих случаях стабилизируют изменением расхода упаренного раствора, а узлы регулирования расхода теплоносителя и давления в аппарате остаются прежними.

Регулирование концентрации упаренного раствора изменени­ем расхода теплоносителя. Если расход свежего раствора опре­деляется ходом предшествующего технологического процесса, то этот параметр нельзя использовать для регулирования концентрации или уровня. В этих случаях концентрацию упарен­ного раствора регулируют изменением расхода теплоносителя.

Регулирование при постоянной концентрации растворенного вещества и свежем растворе. Если отсутствует одно из самых сильных возмущающих воздействий—изменение концентрации вещества в свежем растворе, целесообразно вместо сложного и ненадежного узла регулирования концентрации Q_{у p} установить регулятор расхода свежего раствора. При этом концентрацию Q_{у p} только контролируют, и по ее значению периодически про­изводят перенастройку регуляторов системы.

Управление выпарными аппаратами периодического действия. Операция выпарки здесь осуществляется при стабилизации уровня изменением расхода свежего раствора до момента до­стижения заданного значения температурной депрессии.

Регулирование работы многокорпусных и многоступенчатых установок. При управлении процессом выпаривания в установ­ках такого типа стабилизируют концентрацию Q_{у p} в последнем корпусе изменением расхода упаренного раствора. Уровень во всех корпусах при таком способе стабилизации концентрации регулируется изменением расхода раствора, подаваемого в кор­пус. Расход теплоносителя, поступающего в кипятильник, стаби­лизируют регулятором расхода.

Регулирование работы теплообменника свежего раствора. Нормальный технологический режим выпарного аппарата воз­можен лишь при температуре свежего раствора, близкой к тем­пературе кипения. При более низкой температуре раствора на­рушится циркуляция раствора и снизится коэффициент тепло­передачи; перегрев раствора приведет к вскипанию его на вхо­де в аппарат, что сопровождается выделением кристаллов соли и забивкой трубопроводов.

Абсорбция. Регулирование концентрации извлекаемого компонента в на­сыщенном абсорбенте. Такая цель управления часто ставится при проведении процесса абсорбции в производстве кислот. В этом случае из газовой смеси необходимо поглощать такое количество компонента, которое бы обеспечило постоянство кон­центрации Y_к.

Регулирование состава при переменном расходе газовой сме­си. Если расход газовой смеси определяется технологическим режимом предшествующего процесса, то стабилизировать его нельзя, а изменения его являются для абсорбера сильными воз­мущениями. Для качественного регулирования процесса эти возмущения следует компенсировать до распространения их в объекте.

Регулирование процесса изотермической абсорбции. Некото­рые процессы абсорбции протекают с большим выделением теп­ла, что ухудшает массопередачу. В связи с этим возникает не­обходимость в отборе части тепла из абсорбера, для чего уста­навливают охлаждающие змеевики непосредственно в колонне.

Регулирование перепада давления в колонне. Некоторые конструкции абсорбционных колонн очень чувствительны к на­рушению гидродинамического режима: даже незначительные изменения скорости газа в колонне ведут к неустойчивым ре­жимам ее работы. В этих случаях следует стабилизировать не давление, а перепад давления и колонне изменением расхода обедненной газовой смеси.

Регулирование процесса при рецикле абсорбента. В некото­рых случаях абсорбент, выходящий из куба колонны, лишь час­тично отбирается с установки, большая же часть его возвраща­ется в колонну в качестве рецикла.

Регулирование состава абсорбента, поступающего в абсорб­ционную колонну. Абсорбент, возвращаемый с участ­ка десорбции, может содержать некоторое количество компо­нентов газовой смеси, что значительно ухудшает процесс абсорбции.

Регулирование по возмущению. Если в объект поступают возмущения в виде изме­нения состава и расхода исходной смеси, то расход абсорбента целесообразно изменять в зависимости от этих параметров, т. е. использовать регулирование по возмущению.

Регулирование нескольких последовательно установленных абсорбционных колонн. Система автоматического регулирования последовательно установленных абсорберов принципиально не отличается от систем регулирования одного абсорбера.

2-3 Регулирование отстаивания. Регулирования процессов сточный вод, вентиляции и водоснабжения.

Регулирование отстаивания. Регулирование изменения расхода суспензии. В отдельных случаях расход исходной суспензии не зависит от предшествую­щего технологического процесса; тогда его можно изменять, стабилизируя мутность осветленной жидкости, т. е. уменьшать при увеличении мутности выше заданного значения и увеличи­вать—при ее уменьшении. При отсутствии датчика мутности расход суспензии стабилизируют, что приводит к ликвидации одного из самых сильных возмущений.

Регулирование плотности сгущенной суспензии. В ряде от­стойников проводится процесс сгущения суспензии до заданно­го содержания твердой фазы; при этом содержание твердой фазы в сливе приобретает второстепенное значение. В этом случае идут по пути регулирования плотности сгущен­ной суспензии изменением ее расхода.

Регулирование подачи коагулянта. Для лучшего отстаива­ния некоторых веществ в суспензию добавляют коагулянт — ве­щество, способствующее коагулированию (укрупнению) твердой фазы. Расход коагулянта изменяют в зависимости от высоты границы раздела между зонами уплотнения и осаждения или в зависимости от расхода исходной суспензии.

Регулирование режима работы гребкового механизма. Плот­ность осадка можно регулировать и по косвенному парамет­ру— нагрузке на валу гребкового устройства, которая связана прямой зависимостью с плотностью сгущенной суспензии в ниж­ней части отстойника.

Управление процессом противоточного отстаивания. В случае если один отстойник не справляется с поставленной задачей, устанавливают несколько аппаратов, соединяя их по противоточной схеме. Такую схему применяют, например, на калийных предприятиях.

Управление отстойником периодического действия. Для автоматического перевода отстойника периодического действия с режима отстаивания на режим выгрузки на определенной высоте аппа­рата устанавливают датчик прозрачности, который дает сигнал на закрытие трубопровода исходной суспензия и включение от­качивающего насоса.

Системы водоснабжения. Химические предприятия потребляют воду в качестве хладо- и теплоносителей, а также как средство пожаротушения в про­тивопожарных устройствах.

Системы оборотного водоснабжения. Охлаждение большин­ства технологических аппаратов осуществляется водой, и по­требление ее на современных химических предприятиях достига­ет десятков и сотен тысяч тонн. Такие потребности не могут быть удовлетворены только за счет водопроводной воды, поэто­му нагретую в аппаратах воду вновь охлаждают атмосферным воздухом в специальных устройствах — вентиляционных гра­дирнях.

Системы горячего водоснабжения. Их используют для полу­чения горячей воды—теплоносителя для многих технологиче­ских аппаратов. Как и при оборотном водоснабжении, управ­лять устройствами данной системы следует таким образом, чтобы температура поступающей в производство горячей воды была постоянной. Горячую воду на химических предприятиях получают, как правило, смешением воды из прямой и обратной линий тепло­сети. Это позволяет регулировать температуру горячей воды изменением соотношения расходов воды.

Системы противопожарною водоснабжения. В случае повы­шенной пожароопасности сырья, полуфабрикатов и продуктов в производственных помещениях предприятий устанавливают спринклерные автоматические системы противопожарного водо­снабжения.

Системы вентиляции. Вентиляционные системы предназначены для обеспечения нор­мальных санитарно-гигиенических условий воздушной среды в производственных помещениях. В зависимости от выполняе­мых функций различают приточные и вытяжные системы, а так­же системы воздушно-тепловых завес.

Системы приточной вентиляции. Такие системы обеспечива­ют подачу свежего воздуха определенной температуры в произ­водственные помещения с помощью калорифера и вентилятора. Основным параметром регулирования этих систем является температура воздуха после вентилятора.

Системы вытяжной вентиляции. При автоматизации вытяж­ных систем решают задачу защиты вентилятора от «опрокидывания» при его остановке. В момент «опрокидывания» вытяж­ная система начинает работать на приток за счет разрежения в помещении.

Системы воздушно-тепловых завес. Эти системы предназна­чены для стабилизации температуры в производственных поме­щениях с часто открываемыми грузовыми воротами

Системы очистки сточных вод. Состав и концентрация загрязнений сточных вод большинства производственных объектов химических отраслей промышлен­ности не позволяют сбрасывать их в водоемы без предварительной обработки.

Химическая очистка. На станциях химической очистки пре­имущественное распространение получила обработка сточных вод различными реагентами. Реагентную очистку производст­венных сточных вод чаще всего применяют для коагуляции кол­лоидных и взвешенных веществ, нейтрализации кислот и щело­чей, освобождения от ионов тяжелых металлов, и т д. Несмотря на такое многообразие задач, уста­новки для реагентной очистки сточных вод более или менее однотипны по составу сооружений и видам оборудования.

Технологическая схема процесса. Технологией обработки кислых и щелочных стоков предусматриваются их взаимная нейтрализация, реагентная обработка с последующим отстаи­ванием взвеси и отдувкой газов, фильтрование, завершающая нейтрализация фильтрата, уплотнение осадка и его механичес­кое обезвоживание.

Возможно выполнение автоматической очистки сточных вод.

Термическая обработка. Одним из перспективных методов обезвреживания промышленных стоков, содержащих органические и минеральные вещества широкого состава и высокой концентрации, является тер­мический (огневой), а наиболее эффективные и универсальные установки для огневого обезвреживания промышленных сто­ков—аппараты вихревого типа, в частности циклонные реакто­ры.

Биохимическая очистка. Устройства биохимической очистки сточных вод являются конечным звеном очистного комплекса. Ее проводят в аппаратах (аэротенках) или в водоемах (прудах, каналах) путем окисления находящихся в стоках органических веществ. Главная задача автоматизации биохимической очистки за­ключается в поддержании на оптимальном уровне ряда фак­торов, обеспечивающих жизнедеятельность микроорганизмов-окислителей в условиях, когда колебаниям подвержены со­держание органических веществ и растворенного кислорода в сточной воде и активном иле, концентрация активного ила и другие параметры.

2-4 Взаимосвязанные системы регулирования. Системы связного регулирования. Автономные АСР.

Объекты с несколькими входами и выходами, взаимно связан­ными между собой, называют многосвязными объектами. При отсутствии перекрестных связей, когда каж­дый вход влияет лишь на один выход, многосвязные объекты распадаются на односвязные. Однако подавляющее большинство химико–технологических процессов является сложными многосвязными объектами, а их системы регулирования оказывают­ся взаимосвязанными. Динамика многосвязных объектов описывается системой дифференциальных уравнений, а в преобразованном по Лапласу виде – матрицей передаточных функций. Существует два различных подхода к автоматизации много­связных объектов: несвязанное регулирование отдельных коор­динат с помощью одноконтурных АСР; связанное регулирование с применением многоконтурных систем, в которых внутрен­ние перекрестные связи объекта компенсируются внешними ди­намическими связями между отдельными контурами регулиро­вания. Каждый из этих методов обладает своими преимуществами и недостатками.

При несвязанном регулировании, если учитывают только основные каналы регулирования, расчет и наладку регуляторов проводят как для одноконтурных АСР. Этот метод можно при­менять в тех случаях, когда влияние перекрестных связей на­много слабее, чем основных. При сильных перекрестных связях фактический запас устойчивости системы регулирования может оказаться ниже расчетного. Это приводит к низкому качеству регулирования, а в худшем случае — к потере устойчивости вследствие взаимного влияния кон­туров регулирования. Чтобы предотвратить возмож­ность взаимного раскачивания, од­ноконтурные АСР следует рассчи­тывать с учетом внутренних связей и других контуров регулирования. Это существенно усложняет расчет системы, но гарантирует заданное качество регулирования в реальной системе.

Связанные системы регулирования включают кроме основ­ных регуляторов дополнительные динамические компенсаторы. Расчет и наладка таких систем гораздо сложнее, чем однокон­турных АСР, что препятствует их широкому применению в про­мышленных системах автоматизации.

Системы связанного регулирования. Автономные АСР. Основой построения систем связанного регулирования является принцип автономности. Применительно к объекту с двумя входами и вы­ходами понятие автономности означает взаимную независи­мость выходных координат y₁ и y₂ при работе двух замкнутых систем регулирования.

По существу, условие автономности складывается из двух условий инвариантности: инвариантности первого выхода y1 по отношению к сигналу второго регулятора х_Р2 и инвариант­ности второго выхода y₂ по отношению к сигналу первого ре­гулятора x_P1: y₁ (t, x_р2) = 0; у₂ (t, x_P1) = 0; ∀t, x_p1, x_p2.

При этом сигнал х_Р1 можно рассматривать как возмущение для у₂, а сигнал х_Р2 — как возмущение для у₁. Тогда перекрестные каналы играют роль каналов возмущения. Для ком­пенсации этих возмущений в систему регулирования вводят динамические устройства с передаточными функциями R₁₂(р) и R₂₁(p), сигналы от которых поступают на соответствующие ка­налы регулирования или на входы регуляторов.

2-5. Особенности регулирования систем поддержания температуры.

2-6 Особенности регулирования систем регулирования смешения. Трубчатые реакторы

8 вариантов включения регуляторов:

1)Регулирование по отклонению температуры в реакторе воздействием на входимую тем. Реакц. Смеси.

2) Регулирование по отклонению температуры в реакторе воздействием на входную концентрацию.

3) Регулирование по отклонению концентрации в реакторе воздействием на входимую тем. Реакц. Смеси.

4) Регулирование по отклонению концентрации в реакторе воздействием на входимую концентрацию Реакц. Смеси.

5) Регулирование по отклонению температуры в реакторе изменением времени пребывания.

6) Регулирование по отклонению концентрации в реакторе изменением времени пребывания.

7) Регулирование по отклонению температуры в реакторе воздействием на температуру теплоносителя в рубашке реактора.

8) Регулирование по отклонению концентрации в реакторе воздействием на температуру теплоносителя в рубашке реактора.

Трубчатый реактор. Наиболее простую модель получают,предполагая режим идеального вытеснения.

2-7 Построение статических характеристик реакторов. Регулирование химических реакторов.

Для нахожд. статич. хар-ки X2=f(y2с) выразим значение концентрации в стационарном состоянии и потом подставляя все что нам надо получим уравнение статич.хар-ки и вид ее будет для определенной концентрации реагента x1 : (X2-безразмерная температура на вх. В р-р, безразмерная темп. в р-ре.)

П ри входной температуре х₂¹ в реакторе установится темпе­ратура у¹2с Если повышать температуру на входе, соответствен­но будет меняться стационарное состояние реактора. Так, тем­пературе х₂² соответствует равновесная температура в реакторе У²2с т. е. по мере повышения х₂ от х₂¹ до х₂² стационарная тем­пература в реакторе повышается. При этом пред­полагается, что изменение х₂ происходит достаточно медленно, в реакторе сохраняется стационарный режим и: отсутствуют большие возмущения, которые могли бы перевести процесс в другое стационарное состояние. Если входная температура становится несколько больше, чем х%^г, то стационарных состоя­ний, близких к у³2с, больше нет, температура в реакторе скачко­образно возрастает до значения, соответствующего точке В на статической характеристике у^в_2сПри дальнейшем повышении входной температуры от х₂³ до 2⁴ поведение реактора будет соответствовать правой ветвн статической характеристики, и температура в нем будет возрас­тать от у³^ до у*₂с- Если снижать входную температуру, то об­ратный «перескок» с правой ветви статической характеристики на левую произойдет уже не в точке В, а в точке С, т. е. при более низкой входной температуре, чем х₂\ при которой произо­шел резкий разогрев смеси. В точке С происходит резкое снижение температуры в реак­торе до значения, соответст­вующего точке D.Результаты проведенно­го анализа показывают, что температуры в реакторе, со­ответствующие ветви АС статической характеристики, не реализуются. Анализ этой харак­теристики позволяет выбирать значения входных параметров процесса (температуры, концентрации) при управлении реак­тором.

Структ. Схема хим. реактора.

Химические превращения в реакторе приводят к изменению тепловых и гидродинамических процессов в нем. Этим взаимосвязям соответствуют перекрестные связи в струк­турной схеме реактора. Наличие таких внутренних обратных связей может приводить к возникновению неустойчивых режи­мов, автоколебаниям параметров процесса, изменению качества получаемого продукта и должно учитываться при построении систем автоматизации химических реакторов. Задачи управления непрерывными и периодическими реак­торами существенно различны. Для первых характерны задачи стабилизации параметров на заданных значениях в стационар­ном режиме, для вторых — проведение процесса по заданной про­грамме (например, изменение температуры в реакторе по опре­деленному закону). Собственно стационарный процесс в таком реакторе невозможен. Более сложными для управления являются экзотермические процессы, когда сравнительно небольшое изменение температу­ры в реакторе может приводить к значительным изменениям степени конверсии. В некоторых случаях это может вызвать даже неустойчивость процесса, если изменение количества вы­деляемого при реакции тепла не может быть скомпенсировано соответствующим изменением скорости отвода тепла. Неустой­чивость процесса может приводить к взрывам и аварийной ос­тановке реактора. Некоторые промышленные процессы целесообразно осу­ществлять в режимах, близких к неустойчивым, так как они мо­гут соответствовать более высокой производительности процес­са. Реализация работы реактора в неустойчивой области может быть обеспечена с помощью автоматической системы регулиро­вания. В тех случаях, когда такая система не справляется с быстрым изменением температуры, должна срабатывать спе­циальная система автоматической защиты, останавливающая развитие процесса отключением подачи сырья или сбросом реа­гирующей смеси из реактора.

Биологические р-ры при производстве лизина.Цикл работы биореактора включает следующие стадии: ос­мотр и промывку аппарата; его герметизацию (опрессовку); стерилизацию; загрузку исходной питательной среды; ввод по­севного материала; рабочую стадию — размножение микроорга­низмов и синтез целевого продукта; заключительную стадию — слив культуральной жидкости, содержащей лизин.

Н а вспомогательных стадиях основной функцией управле­ния является обеспечение заданной последовательности выпол­нения операций, т. е. функция программно-логического управле­ния. Она реализуется переключением в определенной последовательности запорной арматуры. Биореактор является статическим объектом регулирования температуры. Основными возмущающими воз­действиями служат изменение тепловыделения при смене фаз физиологического развития микроорганизмов-продуцентов, а также изменение температуры охлаждающей воды, поступаю­щей в теплообменник. Регулирующим воздействием является изменение расхода охлаждающей воды. Вследствие большой тепловой емкости этот объект обладает значительной инерци­онностью и чистым запаздыванием. Требуемая точность регули­рования обеспечивается стандартным ПИД-регулятором. Как объект регулирования рН биореактор явля­ется статическим и обладает сравнительно малой инерционно­стью и запаздыванием, поэтому стандартный ПИД-регулятор обеспечивает требуемую точность регулирования. Давление в биореакторе регулируют изменением расхода отходящих газов.Особенность процесса микробиологического синтеза лизина состоит в образовании большого количества пены, которая мо­жет заполнить рабочую полость аппарата и попасть в трубо­провод отходящих газов. Обычно используют двухпозиционное импульсное регулирование, при котором в случае превышения допустимого уровня пены пеногаситель подается в аппарат отдельными дозами с выдержкой определенных интервалов времени между ними. Для автоматической реализации функции регулирования технологических параметров можно использо­вать одноконтурные АСР.

2-8 Регулирование расхода

Системы регулирования расхода характеризуются двумя особенностями: малой инерционностью собственно объекта регу­лирования; наличием высокочастотных составляющих в сигна­ле изменения расхода, обусловленных пульсациями давления в трубопроводе (последние вызваны работой насосов или комп­рессоров или -случайными колебаниями расхода при дроссели­ровании потока через сужающее устройство).

В системах регулирования расхода применяют один из трех способов изменения расхода: дросселирование потока вещества через регулирующий ор­ган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, за­слонка) Если для перекачива­ния жидкости используют поршневой насос, применение подоб­ной АСР недопустимо, так как при работе регулятора клапан может закрыться полностью, что приведет к разрыву трубопро­вода (или к помпажу, если клапан установлен на всасе насоса).

; изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии (например, изменением числа оборотов дви­гателя насоса или угла поворота лопастей вентилятора); байпаснрование, т. е. переброс избытка вещества иа основ­ного трубопровода в обводную линию. Регулирование расхода сыпучих веществ осуществляется из­менением степени открытия регулирующей заслонки на выходе из бункера или изменением скорости движения лен­ты транспортера. Измерителем расхода при этом может служить взвешивающее устройство, которое определяет массу материала на ленте транспортера.

Регулирование соотношения расходов двух веществ можно осуществлять:

1. При незаданной общей производительности расход одного вещества (рис a) G₁, называемый -«ведущим», может ме­няться произвольно; второе вещество подается при постоянном соотношении у с первым, так что «ведомый» расход равен y*G_1.

2. При заданном «ведущем» расходе кроме АСР соотноше­ния применяют и АСР «ведущего» расхода (рис в). При та­кой схеме в случае изменения задания по расходу G₁ автомати­чески изменится и расход G₂ (в заданном соотношении с G₁).

3 . АСР соотношения расходов является внутренним конту­ром в каскадной системе регулирования третьего технологиче­ского параметра у (например, температуры в аппарате). При этом заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в зависимости от этого параметра так что G₂=у(у)G₁ (рис.г).

Системы регулирования уровня.В зависимости от требуемой точности поддержания уровня применяют один из следующих двух способов регулирования:

1) позиционное регулирование, при котором уровень в аппа­рате поддерживается в заданных, достаточно широких пределах: Lh<L<Lb. Такие системы регулирования устанавливают на сбор­никах жидкости или про­межуточных емкостях (рис1). При достижении предельного значения уровня проис­ходит автоматическое переключение потока на запасную ем­кость; 2) непрерывное регулирование, при котором обеспечивается стабилизация уровня на заданном значении, т. е. L = L°.

При отсутствии фазовых превращений в аппарате уровень в нем регулируют одним из трех способов:-изменением расхода жидкости на входе в аппарат (регули­рование «на притоке», рис с);-изменением расхода жидкости на выходе из аппарата (регу­лирование «на стоке», рис.б);-регулированием соотношения расходов жидкости на входе в аппарат и выходе из него с коррекцией по уровню (каскадная АСР, рис. 2.7,в).

В случае, когда гидродинамические процессы в аппарате со­провождаются фазовыми превращениями, можно регулировать уровень изменением подачи теплоносителя (илн хладоагента), как это показано на рис. 2.8. В таких аппаратах уровень взаи­мосвязан с другими параметрами (например, давлением), по­этому выбор способа регулирования уровня в каждом конкретн ом случае должен выполнятся с учетом остальных контуров регулирования.

Давление. Например, в многокорпусной выпарной установке (рис. 1) стабилизируют разрежение в последнем выпарном аппарате. В остальных аппаратах при отсутствии возмущений устанавливается разрежение, которое определяется из условий материального и теплового балансов с учетом гидравлического сопротивления технологической линии. В тех случаях, когда давление существенно влияет на кине­тику процесса, предусматривается система стабилизации давле­ния в отдельных аппаратах. Примером может служить процесс ректификации. Кроме того, при регулировании процесса бинарной ректификации часто в качестве косвенного показателя состава смеси используют ее температуру кипения, которая однозначно связана с составом лишь при постоянном давлении. Поэтому в продуктовых ректификационных колоннах обычно предусматривают специальные системы стабилизации давления (рис. 2). Способы ре­гулирования давления аналогичны способам регулирования уровня. В рассмотренных выше примерах АСР давления регу­лирующими воздействиями выбраны расход несконденсировавшихся газов, отводимых из верхней части колонны (т. е. G_Bblx, рис. 2) и расход охлаждающей воды в барометрический кон­денсатор, который влияет на скорость конденсации вторичного пара (т. е. на д₀б, рис. 1).

О собое место среди АСР давления занимают системы регу­лирования перепада давления в аппарате, характеризующего гидродинамический режим, который существенно влияет на про­текание процесса. Примерами таких аппаратов могут служить насадочные колонны (рис. 3а), аппараты с кипящим слоем (рис.3б) и др.

2-9 Регулирование теплообменников

Рассмотрим несколько вариантов систем автоматизации теп­лообменников смешения

Вариант 1. Задача стабилизации выходной температуры смеси О решается применением одноконтурной замкнутой сис­темы регулирования, в которой регулирующим воздействием является расход G1 (рис.1). Использование регулятора с ин­тегральной составляющей в законе регулирования (ПИ- или ПИД-регулятор) гарантирует поддержание заданного значения в в установившемся режиме, однако качество переходного про­цесса может оказаться неудовлетворительным при большой инерционности канала регулирования и сильных возмущениях.

Вариант 2 включает систему регулирования соотношения расходов G1 и G₂ (рис. 2.). Это разомкнутая система регули­рования, способная обеспечить инвариантность регулируемой температуры смеси О к возмущениям по расходу G₂, однако при наличии любого другого возмущения О не будет равна задан­ной.

Вариант 3 (рис.3) отличается от предыдущего введе­нием коррекции коэффициента соотношения в зависимости от значения температуры второго потока О₂, так что корректирую­щее устройство 2 является компенсатором возмущения по О₂. Таким образом, данная система регулирования может обеспе­чить независимость выходной температуры от двух основных возмущений — G₂ и О₂. Однако при наличии других возмущений (например, изменение теплопотерь в окружающую среду) тем­пература будет отклоняться от заданной.

Вариант 4 — система регулирования соотношения расхо­дов G1 и G₂ с коррекцией коэффициента соотношения по выход­ной температуре смеси О (рис. 4), т. е. двухкаскадная АСР. Основным (внешним) регулятором является регулятор температуры 1, а вспомогательным (внутренним) —регулятор соотноше­ния 2, осуществляющий компенсацию возмущения по расхо­ду G₂.

Вариант 5 — система регулирования температуры смеси с коррекцией по двум возмущениям — G₂ и 0₂, т. е. комбини­рованная АСР. Динамический компенсатор 2 (рис. 5) в дан­ном случае должен содержать вычислительное устройство для расчета корректирующей поправки на задание по выходной тем­пературе регулятору 1 в зависимости от расхода и температуры второго потока.

Н аилуч­шее качество регулирования обеспечат два последних варианта. При этом в случае приборной реализации систем предпочтитель­нее четвертый вариант, который легко выполняется на серийных промышленных регуляторах.

Р ассмотрим несколько вариантов систем регулирования вы­ходной температуры технологического потока в паровых тепло­обменниках на примере парожидкостного теплообменника.

Вариант 1. Одноконтурная замкнутая АСР (рис 1) при использовании ПИ- или ПИД-регулятора гарантирует регули­рование температуры без статической ошибки, однако при сильных возмущениях по расходу или температуре жидкости качество переходного процесса может оказаться неудовлетвори­тельным.

Вариант 2. Введение динамической компенсации возмуще­ний по G_ж или О_Вх оказывается нецелесообразным, так как тео­ретические компенсаторы физически нереализуемы, а использование приближенных ком­пенсаторов может оказаться неэффективным. Поэтому на прак­тике ограничиваются статической компенсацией этих возмуще­ний. Примером таких систем является каскадная АСР соотно­шения расходов G_n/G_x с коррекцией по Овых (рис. 3).

Вариант 3. Каскадная система регулирования температу­ры (или давления) в межтрубном пространстве с коррекцией задания по О_ВЫх (рис. 2) будет эффективной при сильных воз­мущениях по давлению или температуре греющего пара. Темпе­ратура (или давление) в кожухе в данном случае играет роль промежуточной координаты, которая быстрее реагирует на эти возмущения, чем выходная температура жидкости.

В ариант 4.'Если требуется высокое качество регулирова­ния, целесообразно применение схемы с байпасированием тех­нологического потока вокруг теплообменника и последующим смешением нагретого и холодного потоков. В этом случае появ­ляется дополнительное управляющее воздействие — распределе­ние потоков G1 и G2. На рис. 4 показан пример системы авто­матизации такого теплообменника. Регулятор температуры 1 выполняет вспомогательную функ­цию— стабилизацию температуры О"; главная задача — регулирование тем­пературы жидкости после смешения — возлагается на регулятор 2. В такой системе качество регулирования О_Вых определяется динамикой второго кон­тура, в котором объект представляет собой практически безынерционное звено, так как при малом объеме ка­меры смешения постоянная времени процесса смешения практически равна нулю.

2-10 Системы регулирования PH и концентрации

Д ля обеспечения устойчивого регулирования рН применяют специальные системы. На рис. 1 показан пример системы регулирования рН с двумя регулирующими клапанами. Кла­пан 1, обладающий большим условным диаметром, служит для грубого регулирования расхода и настроен на максимальный диапазон изменения выходного сигнала регулятора (рис. 2. кривая 1). Клапан 2, служащий для точного регу­лирования, рассчитан на меньшую пропускную способность и настроен таким образом, что при xр=x_р⁰+^|D он полностью от­крыт, а при xр=x_р°-D — полностью закрыт (кривая 2). Таким образом, прн незначительном отклонении рН от рН°, когда Xр°-D<=Xp<=Xp^Q+D степень открытия клапана 1 практически не изменяется, н регулирование ведется клапаном 2. Если \X_р—X_р°|>D, клалан 2 остается в крайнем положении, и регули­рование осуществляется клапаном

Регулирование параметров состава и качества. В процессах химической технологии большую роль играет точное поддержа­ние качественных параметров продуктов (состава газовой сме­си, концентрации того илн иного вещества в потоке и т. п.).Эти параметры характеризуются сложностью измерения. В ряде случаев для измерения состава используют хроматографнческнй метод. При этом результат измерения бывает известен в дис­кретные моменты времени, отстоящие друг от друга на продол­жительность цикла работы хроматографа. Аналогичная ситуа­ция возникает и тогда, когда единственным способом измерения качества продукции является в той нли иной степени механизи­рованный анализ проб. Дискретность измерения может привести к значительным дополнительным запаздываниям и снижению динамической точ­ности регулирования. Чтобы уменьшить нежелательное влияние задержки измерения, используют модель связи качества продук­та с переменными, которые измеряют непрерывно. Эта модель может быть достаточно простой; коэффициенты модели уточня­ют, сравнивая рассчитанное по ней и найденное в результате очередного анализа значение качественного параметра. Таким образом, одним из рациональных способов регулирования качества явля­ется регулирование по косвенному вычисляемому показателю с уточнением алгоритма его расчета по данным прямых ана­лизов. В промежутках между измерениями показатель качества продукта может быть рассчитан экстраполяцией ранее измерен­ных значений. Блок-схема системы регулирования параметра качества про­дукта показана на рис. 2.18. Для повышения точности регулирования состава и качества применяют приборы с устройством автоматической калибровки. В этом случае система управления производит периодическую калибровку анализаторов состава, корректируя их характери­стики.

2-11.РЕКТИФИКАЦИЯ

В зависимости от технологических особенностей в качестве целевого продукта могут выступать как дистиллят, так и кубовый остаток. Поддержание постоянного состава целевого продукта и будет являться целью управления. Состав другого продукта при этом может колебаться в опреде­ленных пределах вследствие изменения состава исходной смеси. В дальнейшем будем считать целевым продуктом дистиллят.

В качестве объекта управления при автоматизации процес­са ректификации примем установку для разделения бинарной смеси, состоящую из тарельчатой ректификационной колонны 2, выносного кипятильника 4, дефлегматора 3 н теплообменника для подогрева исходной смеси 1 (рнс. 7.1).

Трудность регулирования процесса объясняется также час­тотой и амплитудой возмущений. Возмущениями являются из­менения начальных параметров исходной смеси, тепло- и хладо-носителей, изменения свойств теплопередающих поверхностей, отложение веществ иа стенках и т. д. Кроме того, на техноло­гический режим ректификационных колонн, устанавливаемых под открытым небом, влияют колебания температуры атмосфер­ного воздуха.

Показатель эффективности процесса — концентрация Q_A ис­комого компонента в дистилляте самым непосредственным об­разом зависит от начальных параметров исходной смеси. С их изменением в процесс могут поступать наиболее сильные воз­мущения, в частности по каналу состава исходной смесн, так как состав определяется предыдущим технологическим про­цессом.

Расход сырья F_c может быть стабилизирован с помощью регулятора расхода. Диафрагма и исполнительное устройство регулятора должны быть установлены до теплообменника, так как после нагревания смеси до температуры кипения в этом теплообменнике поток жидкости может содержать паровую фа­зу, что нарушает работу автоматических устройств.

Давление Р легко стабилизировать изменением расхода па­ра из колонны. Исполнительное устройство при этом устанавли­вают не на шлемовой трубе, соединяющей верхнюю часть рек­тификационной колонны с дефлегматором, а на линии хладоносителя, поступающего в дефлегматор. Это вызвано, в частности, тем, что при дросселировании пара в шлемовой трубе дефлег­матор начинает работать в режиме переменного давления, что неблагоприятно влияет на процесс конденсации.

Стабилизация давления в верхней части колонны необходи­ма не только для поддержания заданного состава целевого продукта, но и для обеспечения нормального гидродинамическо­го режима колонны, так как при понижении давления может произойти «захлебывание» колонны (восходящий поток пара начинает препятствовать стеканию жидкости по тарелкам вниз), а при его повышении уменьшается скорость парового потока, что связано с уменьшением производительности установки.

Таким образом, если целевым продуктом является дистил­лят, то для достижения цели управления следует регулировать расход исходной смеси, температуру исходной смеси, давление в верхней части колонны, состав жидкости в верхней части ко­лонны, температуру и уровень жидкости в кубе. (Если же целе­вым продуктом является кубовый остаток, то в нижней части колонны регулируют состав жидкости изменением расхода теп­лоносителя, а в верхней — температуру изменением расхода флегмы.) Контролю подлежат: расход исходной смеси, дистил­лята, флегмы, остатка, тепло- и хладоносителей; состав и тем­пература конечных продуктов; температура исходной смеси* тепло- и хладоносителя; уровень в кубе колонны; температура по высоте колонны; давления в верхней и нижней частях колон­ны, а также перепад этих давлений.

Сигнализации подлежат значительные отклонения состава целевого продукта, уровня и давления в колонне от заданных значений. При давлении в колонне выше допустимого, а также при прекращении поступления исходной смеси должны срабо­тать автоматические устройства защиты, отключающие ректи­фикационную установку

близкими температурами кипения. При увели­чении содержания низкокипящего компонента в кубе колонны температура снижается. Регулятор температуры прикрывает клапан на линии отбора остатка, а

Регулирование температуры. Температура в колонне облада­ет значительно меньшим запаздыванием, чем состав. К тому же датчики температуры проще и надежнее, чем датчики состава.

2-12.Автоматизация гидромеханических процессов: смешение, перемещение

В качестве объекта управления примем трубопровод 6, по ко­торому транспортируется жидкость¹ от аппарата 1 к аппара­ту 8, и центробежный насос (компрессор) 2 с приводом от асинхронного двигателя 4 (рис. 5.1). Параметром, характери­зующим выполнение задачи, поставленной перед установкой пе­ремещения, служит расход перемещаемой жидкости.

Необходимо поддержи­вать определенное, чаще всего постоянное, значение расхода F. Это и будет целью управления установкой перемещения.

Для того чтобы при наличии возмущений расход F все же был равен заданному, необходимо вносить в объект управления управляющие воздействия, которые будут компенсировать по­ступившие возмущения. В качестве регулируемой величины здесь необходимо взять сам расход F и формировать управляющие воздействия в зависимости от того, насколько текущее значение расхода отличается от заданного. Наиболее простым способом внесения управляющих воздействий при этом является измене­ние положения дроссельного органа на трубопроводе нагнета­ния ², что повлечет за собой изменение его гидравлического со­противления и общего сопротивления системы в целом. Итак, основное автоматическое устройство установки перемещения представляет собой датчик расхода, установленный на магист­рали нагнетания, контрольно-измерительный прибор расхода, регулятор расхода, исполнительный механизм и регулирующий орган.

При пуске, наладке и поддержании нормального режима про­цесса перемещения необходимо контролировать давление на вса­сывающей и нагнетательной линиях насоса; для правильной экс­плуатации установки перемещения требуется контролировать температуру подшипников и обмоток электродвигателя насоса, температуру и давление смазки и хладоагента; для подсчета технико-экономических показателей процесса следует контро­лировать количество энергии, потребляемой приводом.

Сигнализации подлежит давление в линии нагнетания, по­скольку значительное изменение его свидетельствует о серьез­ных нарушениях процесса. Кроме того, следует сигнализировать давление и наличие потока в системе смазки и охлаждения, температуру подшипников и обмоток электродвигателя, масла и воды. Сигнализируется также положение задвижек в линиях всасывания и нагнетания.

Если давление в линии нагнетания или параметры, характе­ризующие состояние объекта, продолжают изменяться, несмот­ря на принятые обслуживающим персоналом меры, то должны сработать автоматические устройства защиты. Они отключают действующий аппарат перемещения и включают резервный (на рис. 5.1 не показан).

СМЕШЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

Основные принципы автоматизации процесса смешения разра­ботаем на примере емкости, в которой смешиваются две жид­кости А и Б (рис. 5.6). В качестве показателя эффективности процесса перемешивания примем концентрацию искомого ком­понента в смеси (Qcm), а целью управления будет получение смеси с определенной концентрацией этого компонента.

Концентрация искомого компонента в смеси зависит от рас­ходов жидкостей А и Б, а также от концентрации в них искомо­го компонента.

Для успешной эксплуатации смесителя, оиеративного управ­ления им и подсчета технико-экономических показателей сле­дует контролировать концентрацию Q_CM, расходы жидкостей и смеси, уровень жидкости в смесителе и количество энергии, по­требляемой приводом мешалки. При значительном отклонении концентрации Q_CM и уровня в смесителе от заданных значений должен быть подан сигнал. При достижении критического зна­чения уровня подача жидкости должна быть прекращена.

Регулирование уровня путем изменения расхода смеси. Если расход смеси не обусловлен ходом последующего технологичес­кого процесса, его нужно использовать для регулирования уров­ня в смесителе — качество регулирования уровня при этом улуч­шится по сравнению с описанным выше.

Регулирование с помощью регулятора соотношения. Если расход жидкостей сильно изменяется, то для улучшения каче­ства регулирования следует использовать регулятор соотноше­ния расходов жидкостей с коррекцией по концентрации смеси Qcm (рис. 5.7). Регулирование соотношения расходов жидкости компенсирует возмущения по расходу жидкости Б путем изме­нения расхода жидкости А до того, как изменится концентра­ция Q_CM. Если по каким-либо причинам концентрация Qcm все же изменится (например, при изменении концентрации иско­мого компонента в жидкостях А и Б), то изменится задание регулятору соотношения.

При постоянных концентрациях компонента в жидкостях А и Б возможно регулирование соотношения расходов без авто­матической коррекции величины соотношения.

2-13 Автоматизация процесса выпаривания и охлаждения

Для достижения цели управления процессом следует регулировать температурную депрессию, давление в аппарате и расход теплоносителя. Для поддержания материального ба­ланса необходимо регулировать уровень раствора изменением расхода упаренного раствора. В процессе выпаривания контролируют расходы растворов а также паров растворителя; температуры растворов; темпера­туру, давление и расход теплоносителя; давление, температуру и уровень в аппарате; температурную депрессию. Регулирование с помощью двухконтурных систем. Улучшить качество регулирования можно, используя многоконтурное ре­гулирование расхода свежего раствора, упаренного раствора и паров растворителя с коррекцией соответственно по темпера­турной депрессии, уровню и давлению в аппарате.

Регулирование разрежения в вакуум-выпарных аппаратах. Разрежение в вакуум-выпарных аппаратах создается с помощью барометрических конденсаторов и вакуум-насосов, служащих для отсоса смеси несконденсировавшихся газов с воздухом. Ре­гулировать разрежение можно изменением расхода и темпера­туры воды; расхода паров растворителя, поступающих в баро­метрический конденсатор; расхода воздуха, подсасываемого» вакуум-насосом из атмосферы. Расход воды при этом изменяется в за­висимости от температуры стоков из барометрического конден­сатора.

Регулирование концентрации упаренного раствора изменени­ем его расхода. Качество регулирования уровня можно улучшить, внося регу­лирующие воздействия изменением расхода свежего раствора. Концентрацию Q_yp в этих случаях стабилизируют изменением расхода упаренного раствора, а узлы регулирования расхода теплоносителя и давления в аппарате остаются прежними. Такая схема предпочтительна также при частых «засолени­ях» поверхности.

Регулирование концентрации упаренного раствора изменени­ем расхода теплоносителя. Аналогичная ситуация возникает и в случае, если расход упа­ренного раствора определяется следующим процессом. Тогда расход свежего раствора следует использовать для стабилиза­ции уровня, и единственным регулирующим воздействием при стабилизации концентрации будет изменение расхода теплоно­сителя.

Регулирование при постоянной концентрации растворенного вещества в свежем растворе. Если отсутствует одно из самых сильных возмущающих воздействий — изменение концентрации вещества в свежем растворе, целесообразно вместо сложного и ненадежного узла регулирования концентрации Q_yP установить регулятор расхода свежего раствора. При этом концентрацию Qy_P только контролируют, и по ее значению периодически про­изводят перенастройку регуляторов системы.

При сильно изменяющихся расходах свежего раствора и теп­лоносителя качество регулирования показателя эффективности можно улучшить (уменьшить запаздывание), регулируя соотно­шение этих расходов изменением расхода теплоносителя. Регу­лятор соотношения будет реагировать и на другие возмущения, так как они приведут в конечном итоге к срабатыванию регуля­тора концентрации раствора и изменению расхода свежего раствора.

Управление выпарными аппаратами периодического действия.

•Операция выпарки здесь осуществляется при стабилизации уровня изменением расхода свежего раствора до момента до­стижения заданного значения температурной депрессии. При срабатывании реле температурной депрессии устройство управ­ления дает сигнал на открытие магистрали упаренного раствора и закрытие магистралей свежего раствора и теплоносителя пу­тем прекращения питания регуляторам уровня и давления. Начинается операция вы­грузки. При полном опорожнении аппарата по сигналу от реле уровня вновь начинается операция загрузки и выпарки

Регулирование работы многокорпусных и многоступенчатых установок. При управлении процессом выпаривания в установ­ках такого типа стабилизируют концентрацию Q_y._p в последнем корпусе изменением расхода упаренного раствора. Уровень во всех корпусах при таком способе стабилизации концентрации регулируется изменением расхода раствора, подаваемого в кор­пус. В промышленности реализованы также схемы стабилизации концентрации Q_y._p изменением расхода раствора, подаваемого в последний корпус. Соответственно изменится способ регули­рования уровня.

Стабилизация давления в корпусах установки обеспечивает­ся самостоятельными регуляторами давления путем сброса ча­сти пара в общую линию паров растворителя. В том случае, если весь пар из предыдущего корпуса направляется в кипя­тильник следующего, стабилизируют давление только в послед­нем корпусе изменением расхода выводимых из него паров растворителя.Расход теплоносителя, поступающего в кипятильник, стаби­лизируют регулятором расхода.

Охлаждение. Уста­новка охлаждения, состоящей из поршневого компрессора конденсатора 2, испарителя 3 (с кипящим хладагентом в меж­трубном пространстве) и дросселирующего элемента 4(рис. В качестве показателя эффективности примем конечную температуру охлаждаемого продукта t_к (часто рассола). Под­держание ее на постоянном значении будет целью управления процессом искусственного охлаж­дения.

Конечная температура охлаждаемого продукта определяется параметрами охлаждаемого продукта и хладоагента, поступаю­щих в испаритель.

Основным узлом регулирования процесса искусственного охлаждения должен быть регулятор температуры t_K, а регули­рующие воздействия целесообразно вносить изменением расхо­да хладоагента, используя метод пуска и останова поршневого компрессора. При этом холодопроизводительность установки бу­дет изменяться так, что возмущающие и регулирующие воз­действия полностью компенсируются.

Одним из сильных возмущений, которые могут поступать в испаритель через дросселирующий элемент 4, является измене­ние давления в конденсаторе 2. Для ликвидации таких возмущений давление конденсации стабили­зируют, изменяя расход воды, подаваемой в испаритель.

Работа испарителя в значительной мере определяется так­же степенью заполнения его жидким хладоагентом. Определенная степень заполнения поддерживается стабили­зацией уровня, который измеряется в выносной камере 5. Регу­лятор уровня воздействует на регулирующий орган, помещен­ный между конденсатором и испарителем. В случае непрерывно­го дросселирования хладоагента (что обеспечивают все регу­ляторы, кроме позиционных) регулирующий орган будет одно­временно служить и дросселирующим элементом 4, изменяю­щим давление хладоагента от значения, соответствующего дав­лению конденсации, до значения, соответствующего давлению кипения.

Для безаварийной работы установки следует сигнализиро­вать повышение уровня хладоагента выше предельного значе­ния. В случае достижения этими параметрами предельно допустимых значе­ний срабатывают устройства защиты, отключающие компрессор.

При искусственном охлаждении контролю подлежат расхо­ды продукта и охлаждающей воды, а также их начальные и ко­нечные температуры. Сигнализации и контролю, кроме того, подлежат все параметры компримирования газов.

2-14 Автоматизация процессов дозирования и измельчения

Дозирование твердых материалов

В качестве объекта управления примем дозатор непрерывного действия с ленточным питателем. Показателем эффек­тивности процесса дозирования является расход дозируемого материала, целью управления — поддержание определенного значения этого расхода.

Массовый расход материала F через ленточный питатель ра­вен произведению площади S проходного отверстия, скорости v движения материала и насыпной плотности р материала. Площадь S, равная произведению ширины ленты / (величи­на постоянная) на высоту открытия заслонки h, периодически сокращается при прохождении частиц материала у кромки эле­ментов, ограничивающих проходное сечение. Приняв, что части­цы (куски) материала имеют шаровую форму с эквивалентным диаметром d_ЭКВ, получили уравнение площади S = b (h- d_ЭКВ /2,3)

и зависит от высоты подъема заслонки h и диаметра частиц d_ЭКВ. Величину h сравнительно просто стабилизировать или из­менять при дозировании. Диаметр d_ЭКВ определяется процессом измельчения, предшествующим процессу дозирования. Скорость v тоже может изменяться при колебаниях напря­жения и частоты тока в электрической сети двигателя дозатора, а также при проскальзывании приводных ремней и ленты транс­портера на ведущем барабане. Путем целенаправленного изме­нения скорости v с помощью вариатора или другого специаль­ного оборудования могут осуществляться регулирующие воздей­ствия. Возмущения могут поступать в объект не только при изме­нении размеров частиц, но и при изменении насыпной плотно­сти р. Колебания которой приводят и к изменению коэффициента внутреннего трения, что является сильным возмущением. В объект будут поступать возмущения, для компенсации которых следует вносить регулирующие воздейст­вия изменением степени открытия заслонки или скорости пере­мещения материала. Регулируемой величиной будет служить расход дозируемого материала. Контролировать следует расход материала и его количество, а сигнализировать — значительные отклонения расхода от за­данного значения и состояние привода дозатора («Включен», «Выключен»). В случае полного прекращения поступления ма­териала на ленту транспортера устройства защиты должны ав­томатически прекратить работу дозатора и других механизмов.

Рис. 8.4. Схема автоматизации про­цесса дозирования:

1 — бункер; 2 — заслонка; 3 — транспортер; 4 — вариатор

А втоматизация дозаторов дискретного действия. Такие доза­торы должны обеспечить подачу равных порций сыпучего ма­териала. Как правило, они представляют собой саморазгружаю­щийся ковш, который устанавливается под бункером материала. Бункер заканчивается гравитационным питателем с быстродей­ствующей автоматической заслонкой. Системы автоматического управления такими дозаторами выполняют на электрических или механических элементах. Они выполняют следующие операции: открытие заслонки; на­полнение ковша до заданного значения массы; закрытие заслон­ки; опорожнение ковша; возвращение ковша в исходное поло­жение. Сигнал на опорожнение ковша может подаваться как по достижении нужной массы, так и по прошествии заданного времени.

Измельчение твердых материалов

В качестве объекта управления при автоматизации процесса из­мельчения примем барабанную мельницу сухого помола. Показателем эффективности при управлении данным процессом является размер кусков измельченного материала (тонина помола), а целью управления — поддержание опреде­ленного конечного гранулометрического состава материала. Гранулометрический состав определяется, с одной стороны, свойствами измельчаемого материала (твердостью, влажностью, насыпной плотностью, размерами) и количеством его в бараба­не, а с другой, — кинетической энергией, с которой шары воз­действуют на материал. На участок дробления, как правило, подается разнородный материал, поэтому в объект управления будут поступать возму­щающие воздействия. Стабилизировать свойства подаваемого материала невозможно. Единственной возможностью уменьшить частоту и силу возмущений является перемешивание различных партий сырья с целью усреднения их характеристик. Масса ма­териала W в барабане определяется расходами сырья и конеч­ного продукта. Она может быть стабилизирована изменением одного из этих расходов. Кинетическая энергия, с которой шары воздействуют на ма­териал, зависит от высоты падения отдельного шара и числа ударов шаров в единицу времени. Естественно, что с увеличе­нием этих параметров интенсивность измельчения возрастает. Высота падения шара и число ударов шаров зависят от частоты вращения барабана мельницы; с увеличением частоты вращения до некоторого предела значения этих параметров возрастают, а при дальнейшем увеличении начинают уменьшаться. В связи с наличием неустранимых возмущений по каналу исходного материала в качестве основной регулируемой величи­ны следовало бы принять гранулометрический состав конечного продукта, а регулирующие воздействия осуществлять изменени­ем частоты вращения барабана. Расход материала при этом следует стабилизировать, что обеспечит устранение возмущений по этому каналу и постоянную производительность мельницы.

В промышленности нет качественных, непрерывнодействующих датчиков размеров твердых частиц, поэтому стабилизиру­ют количество материала в барабане. Оно реагирует практичес­ки на все параметры, определяющие размеры частиц. Необхо­димо учитывать и тот факт, что если мгновенное значение количества материала в барабане станет меньше объема пустот между шарами, то большая часть кинетической энергии шаров будет расходоваться не на измельчение материала, а на нагрев и взаимное раскалывание шаров и футеровки мельницы. Поэто­му объем материала должен быть всегда больше объема пустот или равен ему. Масса материала W не поддается непосредственному изме­рению. На практике эта регулируемая величина определяется косвенными методами: по силе тока электродвигателя мельницы, по вибрации барабана или опоры мельницы, по амплитуде шума, создаваемого мельницей. Наибольшее распространение нашел последний метод.

Контролю в данном процессе подлежат расход материала; амплитуда шума, создаваемого мельницей; количество потреб­ляемой энергии. Сигнализируется состояние барабана включен или выключен. Устанавливаются устройства пуска и остановки двигателей.

Автоматизация процесса измельчения горючих продуктов. Для исключения образования в дробилках (и смесителях) взры­воопасных смесей эти процессы проводят в среде инертного газа. Оборудование при этом оснащается средствами контроля давления подаваемого инертного газа, сигнализации отклоне­ний давления от заданных значений и блокировки, не допускаю­щей пуск оборудования без предварительной подачи инертного газа и обеспечивающей остановку оборудования при прекраще­нии поступления инертного газа.

2-15. Автоматизация процессов коагуляции, флокуляции, флотации

Регулирование подачи коагулянта. Для лучшего отстаива­ния некоторых веществ в суспензию добавляют коагулянт — ве­щество, способствующее коагулированию (укрупнению) твердой фазы. Расход коагулянта изменяют в зависимости от высоты границы раздела между зонами уплотнения и осаждения или в зависимости от расхода исходной суспензии.

Регулирование режима работы гребкового механизма. Плот­ность осадка можно регулировать и по косвенному парамет­ру— нагрузке на валу гребкового устройства, которая связана прямой зависимостью с плотностью сгущенной суспензии в ниж­ней части отстойника. Регулятор нагрузки в этом случае после­довательно воздействует сначала на исполнительный механизм на магистрали сгущенной суспензии, а затем на привод подъема гребков. При перегрузке привода происходит подъем скребково­го устройства, и наоборот.

Управление процессом противоточного отстаивания. В случае если один отстойник не справляется с поставленной задачей, устанавливают несколько аппаратов, соединяя их по противоточной схеме. Такую схему применяют, например, на калийных предприятиях. Степень извлечения твердой фазы, обеспечивае­мая всей схемой, во многом определяется работой первого от­стойника, поэтому для управления процессом отстаивания в нем регулируют плотность сгущенной суспензии и высоту раздела зон (подачей коагулянта); контролируют расход суспензии и щелоков, мутность осадка. Требования к работе следующих от­стойников менее жесткие, поэтому на них установлены только регуляторы плотности сгущенной суспензии, а расход коагулян­та изменяется вручную.

Управление отстойником периодического действия. В про­мышленности находят применение отстойники периодического действия, в которых выгрузка осадка является отдельной опе­рацией. Для автоматического перевода отстойника с режима отстаивания на режим выгрузки на определенной высоте аппа­рата устанавливают датчик прозрачности, который дает сигнал на закрытие трубопровода исходной суспензии и включение от­качивающего насоса.

Переработка калийных руд может осуществляться различными способами обогащения. Разделение водорастворимых солей в виде природных кристаллов относится к процессам обогащения полезных ископаемых и основан на различии физико-химических свойств и электропроводимости поверхности солевых минералов или разнице в плотностях. Возможность ведения процесса при нормальной температуре щелоков, низкий расход теплоты, простота применяемого оборудования обусловили широкое применение для переработки калийных руд флотационного метода. В основе последнего лежит изменение смачиваемости водой поверхности разделяемых минералов при обработке их специальными реагентами, селективное закрепление гидрофобных частиц на пузырьках воздуха и извлечение их в пенный продукт. Флотацию применяют как для разделения солевых минералов, так и для предварительного выделения из руды глинисто-карбонатных шламов, резко ухудшающих процесс флотационного выделения хлорида калия.

2-16

2-17. Дросселирование необратимый процесс. Обеспечение минимального дросселирования.

Чтобы управлять машинным оборудованием, необходимо воздейст­вовать на потоки жидкостей и газов либо путем ступенчатого ре­гулирования с помощью двухпозиционных приборов типа "включено -выключено", либо непрерывно с помощью дросселирующих устройств. Так как регулирование по схеме "включено - выключено" редко удовлетворяет предъявляемым требованиям, поскольку оно не поз­воляет достичь стационарного режима, то большей частью регули­рование осуществляется путем дросселирования.

Дросселирование определяется как уменьшение давления, не соп­ровождающееся отводом энергии ни в виде тепла, ни в виде работы. Существенно, что дросселирование осуществляется с минимальными потерями энергии. Заметим, что в данном случае потерянная энер­гия оказывает разрушающее воздействие на внутренние поверхности дросселирующего устройства. Хотя дросселирующие устройства непосредственно и не расходуют энергии, в них теряется располагаемая работа, и вследствие этого после прохождения дросселирующих устройств энергия становится менее полезной. В конечном счете энергия затрачивается напрасно.

Когда клапан закрыт, в нем не теряется мощность, поскольку расход равен нулю. И при полном расходе потери мощности невели­ки, так как перепад давления минимален. Оказалось, что потери на клапане максимальны, когда расход составляет обычно 50 - 75% полного расхода.

В качестве примера рассмотрим паровую турбину высокого дав­ления с дроссельным клапаном (рис. 1.13). В общем случае дав­ление р, на входе в турбину прямо пропорционально расходу водя­ного пара, а давление р ₀ перед дроссельным клапаном поддержива­ется постоянным системой регулирования парового котла. Для типичных условий на тепловой электростанции — давлении перед дрос­сельным клапаном 16,7 МПа и температуре 540 С - давление на входе в турбину при полном номинальном расходе составляет 11,3 МПа. Если умножить потери располагаемой ра­боты Т Δs . приходящиеся на 1 кг движущегося водяного пара, на относительный расход F/ Fm , то в результате получим потери работы, отнесенные к расходу F_M при полной нагрузке. Умножая их на полную номинальную нагрузку энергоустановки в кг/с, можно оценить потерянную мощность в кВт. Заметим, что кривая потерь мощности проходит через максимум вблизи точки, соответствующей нагрузке 60%.

Аналогичное соотношение можно вывести для систем, работающих на капельных жидкостях. Эту мощность можно нормировать, относя ее к произведению максимального расхода на максимальный перепад давления:

Результаты расчета по формуле (1.52) представлены на рис. 1.14. Здесь снова кривые потери мощности проходят через максимум при относительном расходе, немного превышающем 50%.

Чтобы уменьшить потери мощности, необходимо свести дроссели­рование к минимуму. Для этого требуется, чтобы клапаны работали либо в закрытом, либо в полностью открытом положении. Так как при закрытых клапанах работать нельзя, установка должна работать в условиях, когда все клапаны открыты. Но при таком режиме пол­ностью отсутствует регулирование. Компромиссные схемы регулиро­вания должны быть рассчитаны таким образом, чтобы большинство клапанов работало почти в полностью открытом положении, но при этом должны существовать некоторые предельные возможности ре­гулирования. В случае паровой турбины, работающей при понижен­ной нагрузке и открытом дроссельном клапане, давление в паровом котле не должно поддерживаться постоянным, а должно изменяться в зависимости от нагрузки. Такой режим работы, названный "рабо­той со скользящим давлением", позволит сэкономить значительное количество энергии в установках, работающих на водяном паре, и он применим также и к другим рабочим процессам. Этот режим уже был использован при регулировании дистилляционных колонн.

Настройка каждого регу­лирующего клапана позволяет определить, можно ли увеличить степень его открытия, не потеряв возможности регулирования всей установки. Иногда это можно осуществить с помощью одного кон­тура регулирования, но в большинстве случаев требуется согласо­ванная работа нескольких контуров. Прежде все­го, нужно удовлетворить требования технологического процесса к регулированию качественных и количественных параметров.

2-18

2-19. Основы термодинамики автоматизации и регулирования. Понятие энтропии. Понятие располагаемой работы, обратимых и необратимых процессов. Однократное и повторное использование энергии.

Первый закон термодинамики гласит, что в любой изолированной системе энергия сохраняется, энергия выделяемая гидравлической, пневматической, электрической и механической системами, может превращаться в тепло. Применяя второй закон термодинамики , можно оценить полезность любого вида и уровня энергии. Более того, можно определить эффек­тивность расходования этой энергии и найти способ его улучшения.

Второй закон термодинамики утверждает, что тепло нельзя полностью превратить в работу в круговом процессе (т.е. некоторое количество тепла останется непреобразованным). Причина этого ограничения состоит в том, что можно достичь равновесия только в результате перете­кания тепла или массы от высокого энергетического уровня к низ­кому. Эти соотношения можно лучше всего оценить, вводя понятия энтропии и располагаемой работы.

"располагаемая работа"- все неограниченно превратимые формы энергии,, преобразование которых в любую другую форму допус­тимо по второму закону термодинамики. Сохранение располагаемой работы заключается в сведении к минимуму прироста энтропии в любом процессе, следовательно, в сведении к минимуму его необратимости. Энтропия рассматривается также как мера неупорядоченности физического мира.

Процесс, в котором состояние жидкости изменяется благодаря приложенной работе и в котором жидкость, возвращаясь в исходное состояние, может произвести такое же количество работы, называ­ется обратимым • Примером обратимого процесса является процесс в идеальном компрессоре, работающем на идеальном газе. Работа, приложенная к компрессору, может повысить давление и темпера­туру газа. Если система совершенна, т.е. в ней нет трения или потерь тепла, расширение газа может произвести в точности такое же количество работы, которое было затрачено на его сжатие. Хотя потери на трение и тепловые потери, а также неидеальность жидкости, приведут на практике к тому, что восстановится меньшее количество работы, чем было приложено, процесс сжатия — расши­рения по крайней мере теоретически является обратимым.

Но если сжатый газ расширяется при истечении через отверстие и охлаждается до своего исходного состояния, работа не восстанавли­вается. Процесс расширения при истечении через отверстие и процесс теплопередачи теоретически необратимы. Необратимые процессы характеризуются свободным падением и переходом от порядка к беспорядку. Всякая затрата энергии, при которой не восстанавливается работа, является необратимой. Течение всегда происходит от более высокого уровня к низкому. Если при этом течении восстанавливается работа, то прикладывая работу, поток можно обратить, по крайней мере, частично. Но если из потока работа не извлекается, то процесс полностью не­обратим. Истинные обратимые процессы должны быть не только идеальными, но и происходить с нулевой скоростью.

Переход от упорядоченности к полному беспорядку (равно­весию) соответствует максимуму энтропии системы. Поэтому все процессы, в которых происходит приближение к равновесию без совершения работы, являются необратимыми. Имеются три общие категории необратимых операций, встречающихся в технологических процессах в промышленности;

1. Смешение жидкостей, имеющих различные составы и тем­пературы.

2. Передача тепла.

3. Течение жидкостей через устройства, создающие сопротивление.

2-20

2-21

2-22

2-23 Регулирование насосов. Системы регулирования процессов в компрессорах. Предотвращение помпажа.

Насосы

Для регулирования расхода насосов часто приме­няют дросселирование потока клапаном, установленным на нагне­тательной линии центробежного насоса. Однако этот метод при необходимости небольшого расхода жидкости в течение длительного времени экономически невыгоден; он не может быть применен также в тех случаях, когда жидкость нагне­тается насосами поршневого типа, так как при этом развиваются высокие давления.

Насосы поршневого типа. Если в поршневом насосе предусмотрена возможность измене­ния хода поршня или скорости его движения, то насос может быть использован для дозирования жидкости. Чтобы дозирующие насосы работали с высокой точностью, в них не должно быть утечек жидкости и обратного перетока жидкости из нагнетательной линии во всасы­вающую. Жидкость не должна содержать растворенный или увлекаемый ею газ, так как это при­водит к образованию газовых и паровых пробок.

К насосам поршневого типа относятся также насосы, перемеща­ющие жидкость вращающимися шестернями или лопастями. Преимуществом этих насосов является непрерывная подача жидкости, а недостатком — большой шум.

Н асосы поршневого типа перед пуском должны быть заполнены перекачиваемой жид­костью. При монтаже таких насосов на трубопроводе, со­единяющем линии нагнетания и всасывания, устанавливают предохранительный клапан. Если байпас с предохранительным клапаном отсутствует, то при закры­тии нагнетательной линии насоса возникает высокое давление, спо­собное перегрузить электродвигатель или даже разорвать нагне­тательный трубопровод.

Расход жидкости при подаче ее шестеренчатым или лопастным насосом регулируют изменением количества жидкости, текущей по байпасу, либо регулируют давление в нагнетательной линии насоса с байпасированием части потока.

Центробежные насосы. Небольшие насосы обычно приводятся в движение электрическими моторами с постоянной скоростью вращения. Расход жидкости регулируют дросселирующим клапаном на нагнетательной линии насоса. Линию всасывания нельзя дросселировать, так как пониже­ние давления на стороне всасывания вызывает кавитацию и резкую потерю производительности.

Центробежные насосы работают наиболее эффективно в средней области значений давления и расхода.

Для поддержания наиболее эффективных условий работы насоса скорость вращения рабочего колеса должна устанавливаться в зависимости от расхода жидкости. Поэтому регулирование скорости вращения рабочего колеса больших насосов экономически оправдано.

Регулирование компрессоров. Поршневые компрессоры работают аналогично поршневым насосам. Измерение расхода газа в нагне­тательной линии компрессора значительно упрощается, потому что высокая скорость и сжимаемость газов снижают пульсации давле­ния. Для регулирования поршневых компрессоров могут быть использованы схемы регулирования шестеренчатых и лопастных насосов, описанные выше.

Центробежные компрессоры или турбокомпрессоры с точки зре­ния регулирования аналогичны центробежным насосам. Отличие состоит в том, что для насоса характерна зависимость напора в нагне­тательной линии от расхода жидкости, а типичной характеристикой компрессора является зависимость степени сжатия от расхода газа. Отличительной особенностью центробежного компрессора является наличие области неустойчивой работы. Известно, что при определен­ном соотношении малых расходов и высоких давлений можно попасть в область помпажа. В этой области происходит уменьшение расхода газа вызывает падение давления до величины, меньшей, чем в нагнетательной линии. Вследствие этого возникает кратковременное изменение направления движения потока газа до тех пор, пока давление в линии не упадет на некоторую величину. Эти кратковременные изменения могут развиться в сильные пуль­сации, способные вызвать серьезное повреждение.

Однако компрессор работает с максимальным коэффициентом полезного действия именно вблизи области помпажа, поэтому важно тща­тельно установить эту область.

С целью регулирования давления в нагнетательной линии компрес­сора можно перекрывать клапан, установленный на линии всасыва­ния или нагнетания, но только до определенного значения. Если нагрузка равна расходу газа, соответствующему области помпажа, то для поддержания ста­ционарных условий работы компрессора необходимо часть газа из нагнетательной линии перепускать по байпасу в линию всасывания.

Многие компрессоры большой производительности снабжаются управляемыми поворотными лопатками на входе для более эффек­тивного дросселирования потока газа.

Работу компрессоров можно регулировать как по давлению на всасывающей линии, так и по давлению на нагнетательной линии, а также по расходу газа. Другими словами, выбор регулируемого параметра. Как и в центробежном насосе, в компрессоре расход газа изменяется линейно со скоростью враще­ния вала, а давление в нагнетательной линии — пропорционально жвадрату скорости.

П редотврашение помпажаПри приближении давления к области помпажа, регулятор расхода начнет открывать проходное сечение клапана, установленного на байпасной линии, что вызовет увеличение произ­водительности компрессора, снижение давления в нагнетательной линии и одновременно повышение давления во всасывающей линии. Благодаря этому предупреждается помпаж компрессора.

2-24

2-25 Системы обеспечения безопасности управления. Регулирование давления и расхода в топке.

Поддержание условий безопасности.

Если в горячей топочной камере накопится взрывоопасная смесь топлива с воздухом, возможны тяжелые повреждения, поэтому оп­равдано введение тщательно разработанной системы блокировок. Прежде чем подавать топливо, приходится довольно долго проду­вать топку воздухом, чтобы исключить возможность сохранения взрывоопасной концентрации топлива. Затем нужно зажечь пусковой факел и проверить зажигание с помощью сигнализатора пламени, и только после этого можно открыть кран подачи основного топ­лива.

Таким образом, топка должна быть защищена от поступления избыточного количества топлива в случае повреждения системы ре­гулирования или оборудования. Эта защита обеспечивается парой переключателей сигнала, показанных на рис.2.11. Если расход воздуха не соответствует увеличившемуся количеству требуемого тепла, селектор нижнего уровня установит новый расход топлива, равный расходу воздуха. Если расход топлива не соответствует уменьшившемуся количеству требуемого тепла, селектор верхнего уровня установит новый расход воздуха, равный расходу топлива. Таким образом, при увеличении нагрузки воздух заставляет вво­дить топливо, а при уменьшении нагрузки топливо заставляет вводить воздух. Это устройство предохраняет топку также в слу­чае повреждения вентилятора или заедания вентиля подачи топлива,

Рис. 2.11. Переключатели сигнала препятствуют образованию избытка топ­лива во время изменения нагрузки или повреждения вентилятора.

Чтобы описанная система из двух переключателей могла работать, необходимо измерять расходы воздуха и топлива в одинако­вых единицах, эквивалентных количеству тепла.

Система двух переключателей заставляет воздух вводить топли­во при увеличении нагрузки и задерживать его подачу при умень­шении нагрузки. Тогда содержание кислорода в дымовом газе бу­дет отличаться от номинального значения при всех изменениях нагрузки. Если допустить, чтобы регулятор содержания кислорода реагировал пропорционально этим отклонениям, он будет стремиться ликвидировать безопасные условия, обеспечиваемые переключателя­ми. Главное назначение этого регулятора состоит в введении поправок на медленные откло­нения, вызванные ошибками расходомера и изменениями качества топлива.

Контроль давления в потоке воздуха и в топочной камере

Регулирование расхода воздуха и давления в топке требует сог­ласования работы входной и выходной заслонок. Обычно нефть и газ сжигают при небольшом положительном дав­лении 2,5 - 5 кПа, создаваемым дутьевым вентилятором. Если поступающий воздух предварительно нагревается дымовым газом или если имеется оборудование для уменьшения загрязнения, на­пример осадитель, фильтр или очиститель дымового газа, то необ­ходим также и вытяжной вентилятор. Уголь и древесное топливо сжигают при небольшом отрицательном давлении, меньшем 0,25 кПа, при котором требуется вытяжной вентилятор в дымовой трубе. Если воздух, требуемый при сжигании, предварительно подогревается, то обычно необходим дутьевой вентилятор. Поэтому в боль­шинстве современных топок значительного размера имеются оба типа вентиляторов с заслонками, установленными, как показано на рисунке.

Хотя на рисунке показано, что расход измеряется мерной диафрагмой, часто избегают этого дополнительного сужения, измеряя перепад давления между воздушной камерой и топкой или в самой топке. Для подогретого воздуха обычно требуется температурная компенсация, поскольку его температура будет изменяться в зависимости как от тепловой нагрузки, так и от температуры окру­жающей среды.

Соотношение между массовым расходом воздуха и измерен­ным перепадом давления h на сужении зависит от абсолютной тем­пературы Т:

М = k , (2.16) где к — коэффициент пропорциональности.

Если температура изменяется на 5,5°С при T = 116° С (389 К), то относительная ошибка в расходе составит (1/2) (5/389), или ~0,7%. С помощью выражения (2.16) легко ввести температурную компенсацию в обычном диапазоне измерений (-20) - (+150)° С. Можно подать сигнал на необходимое превышение абсолютной тем­пературы путем соответствующей градуировки делительного уст­ройства.

В случаях когда воздух разделяется на основной и вспомога­тельный потоки для подачи пылевидного угля и т.п., измерения расхода разными приборами нужно сначала линеаризовать, а за­тем суммировать. Тогда температурную компенсацию можно вво­дить на суммируемые сигналы, и нет необходимости линеаризовать температурный сигнал. Так как измеряемая температура намного превышает температуру абсолютного нуля, то в рабочем диапазоне линейная аппроксимация квадратного корня из температуры вносит небольшую ошибку.

Между расходом воздуха и давлением в топочной камере сущест­вует взаимодействие, аналогичное взаимодействию между расходом горючего газа и давлением. Но две заслонки в воздушной системе обычно имеют одинаковые размеры, и перепад давления на заслон­ках одинаков. В этом случае существующее взаимодействие нельзя устранить изменением характеристик контура регулирования. Вмес­то этого рекомендуется схема развязки, показанная на рисунке.

В такой системе для регулирования расхода воздуха приводятся в действие обе заслонки. Если характеристики заслонок подобраны правильно и они согласованы, то одновременное и одинаковое дви­жение заслонок не окажет влияния на результирующее давление в топочной камере. Однако регулятор давления в топочной камере мо­жет воздействовать на нижнюю (по потоку) заслонку, чтобы ввес­ти поправку на любое отклонение, которое может возникнуть из-за рассогласования. Можно так подобрать положение точки измере­ния давления, что оно будет быстрее воздействовать на нижнюю заслонку, чем на верхнюю. Тогда для согласования динамического воздействия обеих заслонок на давление нужно ввести динамическую задержку сигнала f(t), передаваемого от первой заслонки ко вто­рой.

Развязывающая схема, препятствующая изменению расхода воз­духа регулятором давления в топке, на рисунке не показана. Если рассмотренная развязка действует эффективно, то требуется очень небольшое корректирующее воздействие регулятора давления, и взаимодействие двух контуров будет незначительным.

2-26 Системы регулирования процесса горения газообразных топлив. Системы регулирования процесса горения жидких топлив.

Полезным выходом процесса горения является тепло, выделяюще­еся при окислении топлива. Следовательно, первым важным момен­том в осуществлении контроля потребления энергии паровым кот­лом, газовой турбиной или сушильной печью является точное управ­ление расходом топлива.

Газообразные топлива

Наиболее употребительным газообразным топливом является природный газ, содержащий обычно 75 - 95% метана. К числу остальных составляющих относятся в порядке убывания концент­рации этан, пропан и бутан, причем бутан составляет менее 0,5 об.%.

Когда давление горючего газа изменяется, перед клапаном, ре­гулирующим расход, обычно устанавливают регулятор давления, а между ними — расходомер, как показано на рисунке. Так как оба клапана воздействуют и на расход, и на давление, можно ожидать, что между двумя контурами регулирования возникнет взаимодей­ствие. Исследование этого процесса по­казывает, что взаимодействие возрастает пропорционально отно­сительному перепаду полного давления на регуляторе давления. Например, если перепад давления на клапане давления составляет половину или менее перепада давления на клапане расхода, можно получить устойчивые характеристики обоих регуляторов. Но если бы перепад на обоих клапанах был одинаковым, то, в случае когда оба регулятора настраивались на совместную работу вручную, в автоматическом режиме развивались бы автоколебания. Тогда для восстановления устойчивости необходимо заново производить сов­местную настройку регуляторов в автоматическом режиме.

Если перепад на клапане давления значительно больше, чем на клапане расхода, то первый регулятор сильнее воздействует на расход, чем на давление. В результате каждый из контуров регу­лирования вносит возмущение в работу другого контура, и регу­ляторы теряют способность к эффективному выполнению своих фун­кций. Если при этом оба регулятора работают в автоматическом режиме, то расход и давление все более отклоняются от своих значений уставок, и регулирование невозможно. Чтобы изображен­ные на рисунке контуры работали эффективно, перепад давления на первом клапане должен быть меньше, чем на втором, и в этом случае размер проходного сечения клапана, регулирующего дав­ление, должен быть больше, чем у клапана, регулирующего расход.

Другим решением задачи является использование только одного клапана, и тогда давление не будет регулироваться. В этом случае в измеренный перепад давления на мерной диафрагме необходимо вносить поправку на изменение давления

П ротиводавление, существующее в топке, зависит от расхода. Поэтому перепад давления на клапане расхода изменяется обратно расходу. Чтобы получить приемлемое линейное соотношение между расходом топлива и положением клапана, желательно использовать клапан с равнопроцентной характеристикой.

Рис. 2.2. Взаимодействие между контурами регулирования давления и рас­хода усиливается с ростом относительного перепада полного давления на клапане регулирования давления.

PC- регулятор давления; FC - регулятор расхода. (27

Жидкие топлива

Наиболее употребительными жидкими топливами являются нефте­продукты - от легких дистиллятов до остаточного нефтяного топли­ва. Эти нефтепродукты мало отличаются по теплоте сгорания и содержанию серы, но существенно отличаются по вязкости. Хороший распыл топлива в форсунке важнее, чем точное измерение расхода. Для полного сгорания необходимо, чтобы топливо подавалось при контролируемых давлении и вязкости. Это особенно трудно осущест­вить для тяжелых остаточных фракций, так как их вязкость сильно изменяется в зависимости от температуры, состава и даже от рас­хода. Легкие дистилляты можно перекачивать при контролируемых давлении и температуре и обеспечить удовлетворительное сгорание. Но тяжелые остаточные фракции должны непрерывно циркулировать от топки обратно в топливный бак, как показано на рисунке. Если циркуляцию прервать, то топливо охладится и закупорит магистраль.

Рис.2.3. Результирующий расход сжигаемого нефтяного топлива представ­ляет собой разность между расходом, поступающим к форсунке, и расходом: идущим на циркуляцию.

P C - регулятор давления; FC — регулятор расхода.

В системе с рециркуляцией результирующий расход топлива, поступающего в топку, измерить невозможно, его нужно вычислять, вычитая расход на рециркуляцию из расхода топлива, перекачиваемого из бака. Обычно для этого пользуются турбинными расходомерами из-за их высокой точности, хотя они очень чувствительны к изме­нениям вязкости, особенно при малом расходе. Противодавление в форсунке регулируется клапаном в линии рециркуляции, а расход на разжигание регулируется настройкой отверстия форсунки. Для улучшения распыла необходимо подавать водяной пар в определен­ном отношении к расходу на разжигание.

Если нефтяное топливо имеет постоянный состав, то регулиро­вание температуры, осуществляемое как показано на рисунке, обеспечит вполне удовлетворительное регулирование вязкости. Но если приходится пользоваться нефтяным топливом из разных источ­ников, то зависимости вязкости от температуры могут быть совер­шенно различными. В этом случае необходимо контролировать вяз­кость как для получения хорошего распыла, так и для точного из­мерения расхода.

2-27 Смешение – необратимый процесс. Смешение с целью регулирования температуры. Смешение с целью регулирования качества.

Смешение - необратимый процесс

П редставим себе поднимающийся в воздухе шар, заполненный гелием. В шаре есть отверстие, и гелий вытекает. Необратимый характер этого процесса обнаруживается по звуку, сопровождаю­щему выделение газа. Но существует и другой необратимый про­цесс, который необязательно создает звук, - смешение гелия с воздухом. То, что смешение необратимо, должно быть очевидным, ибо оно не производит работы, тогда как для обратного процесса -разделения - требуется работа.

Процессом, обратным разделению, является смешение. Если для разделения требуется работа, то при всяком соединении жидкостей, имеющих разные составы, теряется некоторое количество работы.

Смешение с цепью регулирования качества

Состав продуктов, полученных в процессе разделения, например после дистилляции, трудно регулировать путем точной подгонки их материального и (или) энергетического баланса. Распределение внутренних емкостей вызывает большие задержки ответного реаги­рования, поэтому нужно затрачивать большие усилия, чтобы лучше отрегулировать состав. В противоположность этому регулирование качества путем смешения обладает большой чувствительностью и поддается расчету. Поэтому представляется заманчивым смешать слишком чистые и недостаточно чистые продукты с тем, чтобы точно удовлетворить заданным техническим условиям.

Смешение можно организовать в сепарационном агрегате многими способами. Можно пропускать сырой или частично очищенный матери­ал через перепускной канал, чтобы изменять состав продукта сверх­высокой очистки. Другая возможность состоит в смешении продуктов, прошедших через два параллельных агрегата, с целью осреднения степени их чистоты; или продукт, прошедший через один агрегат, можно смешать с материалами различного состава. Продукты, которые не удовлетворяют техническим усло­виям, смешиваются с сырыми продуктами для повторной переработки. Иногда потоки вещества, участвующие в повторном процессе и со­держащие частично очищенные продукты, непрерывно смешиваются с исходными продуктами. Широко распространена практика введения исходного продукта, состав которого не соответствует составу сме­си, имеющемуся в точке ввода.Если необходимо произвес­ти смешение, наименьшая потеря работы происходит в случае, когда составы исходных потоков наиболее близки друг к другу.

Смешение с цепью регулирования температуры

Смешение широко используют также для регулирования темпера­туры по способу на рис. Его применяют не только в промышленных установках, но и в обычных домашних условиях, когда смешивают горячую и холодную воду для стирки. При заданном потоке тепла, направляемого потребителю, минимальное количество топлива расходуется в случае, когда перепускной канал закрыт.

Если потоки одного и того же идеального газа, имеющие разные температуры, смешиваются, то температура смеси определяется следующим образом:

T=сумм(TFjTj/ZFj ), где Fj - расход каждого потока, имеющего температуру Ту

2-28.Сушка твердых материалов

Описываемый здесь процесс сушки состоит в удалении влаги из твердых материалов в результате их контакта с ненасыщенным воздухом или газом.

Скорость удаления влаги с поверхности и особенно изнутри твердой частицы определяется движущей силой процесса, которая может быть описана несколькими способами. Если этот процесс рас­сматривать как процесс массообмена, го его движущей силой можно считать разность давления водяного пара на поверхности или внут­ри частицы и парциального давления водяного пара в окружающей среде. Этот процесс можно рассматривать также и как процесс теплообмена, при котором скрытая теплота парообразования пере­дается влаге твердого материала из окружающей среды. В этом случае движущей силой теплообмена является разность температур воздуха и твердого материала.

С точки зрения переноса тепла, скорость испарения влаги из твердого материала прямо пропорциональна разности температур окружающего воздуха и материала. Температуру воздуха показы­вает сухой термометр. Температура твердого материала более близка к показаниям смоченного термометра, поскольку смоченный термометр фактически является влажным твердым материалом, на поверхности которого происходит адиабатический процесс испарения влаги.

Поэтому температура смоченного термометра представляет собой наиболее важный параметр, влияющий на скорость сушки. В условиях окружающей среды ее легко измерить как температуру поверхности, с которой избыток влаги испаряется, во внешнюю среду.

2-29.

3-30. Основные процессы и особенность автоматизация целлюлозно-бумажной производств.

Производство вискозного волокна, как и большинство производств других химических волокон, состоит из отделения, где получают прядильный раствор и подготавливают его к фор­мованию, и прядильно-отделочного участка, в котором волокно формуют и сушат. Процесс изготовления прядильного раствора (вискозы) состоит из процес­сов мерсеризации, предсозревання, ксантогенирования, растворения и подго­товки вискозы к формованию.

Процесс мерсеризации целлюлозы представляет собой химическую реакцию получения щелочной целлюлозы путем обработки исходной целлюлозы раство­ром едкого натра. Обработка проводится при 40—60 °С в баке-мерсеризаторе, куда транспортером подают ленты целлюлозы и рабочую щелочь. Последняя лоступает через бачок-дозатор и нагреватель из емкости. Готовится она в смесителе S смешением отработанной (рециркулирующей) и укрепительной щелочи, а также умягченной воды.

В баке-мерсеризаторе 3 целлюлоза и щелочь перемешиваются, получается щелочная целлюлоза. Одновременно происходит набухание целлюлозы. Это приводит к вымыванию гемицеллюлоз и равномерной диффузии сероуглерода внутрь целлюлозной нити при образовании ксантогената иа следующей стадии производства.Полученная щелочная целлюлоза подается в буферную емкость, где происходит дополнительное взаимодействие целлюлозы и щелочи.

Щелочная целлюлоза содержит избыточное ко­личество щелочи, которую удаляют в прессе. На поверхности отжимных ва­лов пресса образуется плотный слой щелочной целлюлозы, через который под давлением 0,012—0,03 МПа фильтруется щелочь.

Образовавшаяся лента щелочной целлюлозы дробится в измельчителе и подается в аппарат предсозреваиия. Процесс предсозревания проводят для уменьшения молекулярной массы щелочной целлюлозы путем изменения степени ее полимеризации (в результате окислительной деструкции макромо­лекул щелочной целлюлозы под влиянием кислорода воздуха).

Процесс ксантогенирования служит для перевода нерастворимой в воде и щелочах щелочной целлюлозы в растворимый ксантогенат целлюлозы. Для этого щелочную целлюлозу обрабатывают сероуглеродом в ксантогенаторе. Реакция образования ксантогената обратима; побочными продуктами реак­ции являются серосодержащие соединения Na2S и Na2CS3.

После окончания процесса в ксантогенатор (для предварительного раство­рения полученного ксантогената) подают раствор щелочи, а затем умягченную воду. После выгрузки продуктов реакции ксантогенатор промывают раствором щелочи.

Процесс растворения. Для окончательного растворения ксантогената в ще­лочи их интенсивно перемешивают в емкости 24 (см. рис. 11.1) с помощью насоса 25, работающего в замкнутом цикле. Растворению препятствует наличие комков, поэтому ксантогенат предварительно пропускают через растиратель

Подготовка вискозы к формованию. Для получения при формовании ка­чественной нити растворенный ксантогенат целлюлозы должен пройти подготовительиые операции. Первоначально смешивают партии ксантогената, полученные в разных ксантогенаторах. Между смесителями установлен фильтр-пресс для отделения от вискозы волокон целлюлозы, не полностью растворимых частиц ксантогената, органических компонентов целлюлозы и продуктов их превращений, минераль­ных примесей, поступающих с исходным сырьем, и т. п. Для лучшей фильтруемости вискозы ее нагревают в смесителях.

Продолжительность процессов подготовки вискозы составляет несколько часов. За это время изменяется химический состав вискозы, что приводит к по­вышению степени этерификации, увеличению количества побочных сернистых соединений и т. д. Этот комплекс изменений вискозы в процессе подготовки назван созреванием.

Процессы формования и сушки волокна. Подготовленную вискозу подают на формование в формовочную машину. Формование происходит при вы­текании вискозы из фильеры в трехкомпоиентную «осадительиую ваину». В процессе формования волокна «осадительная ван­на» разбавляется водой, поступающей с вискозой. Для восстановления концент­рации «осадительной ванны» производят выпаривание избыточного количества воды. Волокно, полученное в прядильной машине в виде «куличей», сушат в су­шильной камере периодического действия.

Автоматизация процесса мерсеризации целлюлозы. Показа­телем эффективности процесса является количество связанной щелочи в целлюлозе и равномерность замещения гидроксильных групп целлюлозы едким натром. Необходимо получать ще­лочную целлюлозу стабильного качества, что является целью управления. Для выполнения поставленной задачи следует ста­билизировать тепловой режим в баке-мерсеризаторе, отношение объема щелочи к массе исходной целлюлозы, содержание в мерсеризационном растворе NaOH.

Тепловой режим в баке-мерсеризаторе 3 стабилизируют регу­лированием температуры реакционной массы; регулирующее воздействие вносят изменением количества тепла, которое несет с собой мерсеризациоииый раствор в бак-мерсеризатор.

Стабилизация концентраций едкого натра и гемицеллюлоз в мерсеризациоином растворе осуществляется изменением их расхода с помощью регулирующих блоков соотношения с кор­рекцией по составу мерсеризационного раствора. Материальный баланс в емкости 4 поддерживают регулированием уровня и из­менением расхода укрепительной щелочи.

Процесс предсозревания следует вести таким образом, чтобы разброс степени по­лимеризации не превышал определенного значения; это обеспечивает микрооднородность целлюлозы, а в дальнейшем и необходимые вязкость и концентрацию вискозы. Степень поли­меризации определяется в основном температурой процесса, степенью отжима и свойствами щелочной целлюлозы.

Для обеспечения нормального хода процесса ксантогениро­вания температуру в зоне реакции в начале процесса следует поддерживать на уровне 20—22 °С; в ходе реакции она начнет повышаться. Сначала это повышение положительно влияет на показатель эффективности, однако чрезмерное повышение тем­пературы приводит к увеличению расхода сероуглерода на по­бочные реакции и появлению неоднородного ксантогената. По­этому температуру в ксантогенаторе поддерживают в соответствии с заранее заданной программой.

Основное требование, предъявляемое к регуляторам процес­са сушки, — поддержание определенной и равномерной оста­точной влажности высушиваемой нити.

3-1 Системное развитие быстродействующих коммутируемых сетей Ethernet.Возможности резервирования

Традиционно сеть Ethernet использу­ется для сопряжения и связи персональ­ных компьютеров (ПК) и рабочих стан­ций, но имеет непредсказуемые задержки и да­же не гарантирует доставку сообщений. Первые сети обеспечивали скорость пе­редачи 10 Мбит/с. Потом появился Fast Ethernet и обеспечил быструю связь со скоростью 100 Мбит/с (прибор­ные системы измерений, системы про­мышленной автоматизации).

PPOFINET-построен на базе Fast Ethernet. В таких сетях обеспечивается скорость передачи данных до 100 Мбит/с. Был разрабо­тан компанией Siemens с целью уни­фикации полевых сетей (Fieldbus) для построения систем, работающих в ре­альном времени со скоростью связи до 100 Мбит/с в жёстких промышленных условиях эксплуатации. PROFINET взаимодействует с другими сетями (PROFIBUS, Interbus, DeviceNet и т.д.) с помощью шлюзов. Для конфигу­рирования и диагностики сети применя­ют протоколы IP, TCP, UDP. Среда передачи - медные провода и оптоволокно. Возможно применение в сети PROFINET разных топологий (линейной, кольцевой, «звезда», «дерево»). В линейной сети коммутатор устанавливают ближе к приборам или даже встраивают вместе с процессором в устройство. Кольцевая топология, ис­пользуемая для повышения надёжно­сти, может включать две сети со встреч­ным направлением передачи. Для разных приложений стандарт PROFINET определяет три уровня про­изводительности: PROFINET NRT, PROFINET RT, PROFINET IRT. PROFINET NRT с временем цикла бо­лее 100 мс не поддерживает режим реаль­ного времени и предназначен в основ­ном для автоматизации отдельных тех­нологических процессов. PROFINET RT используется в случаях с более высо­кими требованиями к времени цикла (более 10 мс), например в системах авто­матизации предприятия. Самым высо­ким требованиям по производительно­сти отвечает PROFINET IRT (время цикла менее 1 мс), основной областью его применения является управление комплексными приводными системами.

Gigabit Ethernet- гигабитные промышленные сети, выпускается соответствующее се­тевое оборудование, способное функ­ционировать в условиях температур­ных колебаний, вибраций, электромаг­нитных излучений и т.п.(риск электромаг­нитных наводок в линиях связи устра­няют применением оптоволокна).Развитием гигабитной сети Ethernet является сеть 10-Gigabit Ethernet со скоростью 10 Гбит/с.Скорость возросла в 10 раз по сравнению с полудуплексным вари­антом Gigabit Ethernet (GE) и в 100 раз в сравнении с Fast Ethernet.Новая версия включает только дуп­лексный режим передачи, исключив полудуплексный и монопольный. Существуют три версии специфика­ций стандарта для 10GE:10GBase-X определяет четырёх потоковые передачи (формат 4 по 4 бита) по медным парам проводов или по оптическому кабелю с шагом 13.4 им во втором окне прозрачности (1300 нм), 10GBase-R определяет передачи по оптическому каналу связи в трёх ок­нах прозрачности: 850 нм (S). 1300 нм (L) и 1550 нм (Е) по спецификациям 10GBase-SR, -LR, –ER, 10GBase-W определяет передачи по оптическому волокну в трёх окнах прозрачности по спецификациям 10GBase-SW, -LW. –EW. Новая спецификация определила побитовую, побайтовую и покадровую передачу. Пре­дусмотрены следующие интерфейсы:XGMII,XALJI,XSBI. Требования 100-Gigabit Ethernet: обеспечить сверхбыструю только дуп­лексную связь; сохранить на уровне сервиса форматы кадров Ethernet 802.3, включая минимальный и максималь­ный размеры; обеспечить дальность передачи 10 км по одномодовому во­локну и 100 м по многомодовому во­локну; поддерживать скорость переда­чи 100 Гбит/с. Эта технология предпо­лагает применение как в локальных, так и в глобальных сетях. Создание окончательной специфи­кации стандарта 100-Gigabit Ethernet ожидается к 2010 году.

На основе стандарта Ethernet разра­ботан новый отраслевой стандарт LXI - Ethernet для автоматизации приборных систем измерения. Различают 3 класса LXI-приборов: А, В, С. Класс С является ба­зовым, приборы этого класса обладают функциями обнаружения и конфигура­ции сети, имеют Web-интерфейс и со­ответствуют физическим требованиям стандарта. Приборы класса В имеют дополнительные возможности запуска по локальной сети и поддержки син­хронизации. Класс А удовлетворяет требованиям классов С и В с дополне­нием в виде аппаратной шины синхро­низации с низкой задержкой передачи (эта шина обеспечивает максимально возможную скорость отклика на собы­тие запуска). Предусмотрены 2 ре­жима связи LXI-приборов: программ­ный (с драйверами IVI) и интерактив­ный (с Web-браузером).

Системы реального времени на осно­ве Ethernet создают посредством реали­зации специальных методов, используя, исходя из соображений стоимости и быстродействия, различные варианты среды связи. Один из методов создания систем реального времени вместо про­токола CDMA/CD применяет переклю­чаемые интервалы времени, распреде­ляющие передачи пакетов и сообщений в последовательной сети. Другой метод основан на построении уп­рощённого варианта сети только с од­ним ведущим контроллером при боль­шом количестве ведомых устройств без использования коммутируемой среды (EtherCat).

Способы по­вышения надёжности. Метод груп­пового преобразования предполагал группирование и дублирование кана­лов связи: все кабели не укладываются в один и тот же короб по одному и тому же маршруту, а группируются по частям (например, по северной и по южной частям здания). На следующем этапе стали резервировать сетевые коммута­торы и конечные терминальные узлы. Однако наиболее эффективным явля­ется метод резервирования отдельных каналов в кольцевых структурах про­мышленных сетей. Управляемые про­мышленные коммутаторы обеспечива­ют время переключения на резервные каналы порядка десятка-сотен милли­секунд. На смену относительно медленным протоколам связующего дерева (STP и RSTP, время восстановления соответ­ственно порядка 30 с и 1 с) пришла от­казоустойчивая кольцевая топология HIPER-Ring (Hirschmann),как решение по созданию резервированной сетевой инфраструк­туры без дублирования линий связи. Это решение предполагает построение не полностью замкнутых кольцевых связей в сети Ethernet и обеспечивает обнаружение сбоя в канале с восста­новлением без потерь в течение 200-300 мс за счёт создания обходных путей связи. Сейчас стремятся снизить время восстановления сети до 50 мс. Среди примеров резервирования в структурах промышленных сетей Ethernet известны и другие решения, например избыточные кольцевые сети Turbo Ring и двойные дублирующие се­ти.

3-2 Выбор аппаратных средств автоматизации опасных промышленных объектов. Применение fieldbus-систем во взрывоопасных зонах.

Определение степени опасности помещения установки технических средств автоматизации представляет собой важнейшую задачу, от решения которой во многом зависит результат проектирования системы автоматизации.

Предприятия химического комплекса особенно опасны в этом смысле, поскольку производство часто основано на использовании токсичных, пожаро- и взрывоопасных веществ, а также сильнодействующих ядов.

Учитывая категорию взрывопожарной и пожарной опасности, класс взрывоопасной зоны, категорию и группу взрывоопасных смесей приборы должны иметь взрывозащищенное исполнение и искрозащиту.

Структура искробезопасных fieldbus-систем

Обобщённую структуру искробезопасной fieldbus-системы можно пред­ставить так, как это показано на рис. 1.

В зависимости от типа используемой fieldbus-системы в качестве связанного электрооборудования могут приме­няться следующие компоненты:

• сегментный соединитель в случае ис­пользования сети PROFIBUS-PA;

• усилитель мощности (power repeater) в случае использования сети FOUN­DATION fieldbus.

Уточним, что связанное электрообо­рудование — это электрическое обору­дование, которое содержит как искробезопасные, так и искроопасные цепи, причём оборудование вы­полнено так, что искро­опасные цепи не могут ока­зать отрицательное влияние на искробезопасные цепи. Применяемые в сети поле­вые устройства (приборы на объектах — интеллектуаль­ные датчики и исполни­тельные устройства) явля­ются взрывозащищённым электрооборудованием.

При описании связанно­го оборудования промыш­ленные сети PROFIBUS-PA и FOUN­DATION fieldbus HI были упомянуты не случайно: именно они наиболее часто применяются в АСУ ТП предп­риятий химической, нефтехимичес­кой, газовой промышленности. Физи­ческий уровень обеих этих сетей соот­ветствует стандарту IEC 61158-2, что обеспечивает искробезопасность при работе во взрывоопасной среде. Дос­тоинством такого физического уровня является то, что передача сигналов данных и питание приборов осущес­твляются через обычную витую пару, а недостатком — очень низкая скорость передачи данных (31,25 кбит/с), при­водящая к чрезвычайно длительным временным задержкам во многих при­менениях, особенно при использова­нии систем удалённого ввода-вывода. Вследствие этого широкое примене­ние находит интерфейс RS-485 (ско­рость передачи данных до 10 Мбит/с) в искробезопасном исполнении, кото­рый тоже может быть использован в системах удалённого ввода-вывода, разворачиваемых во взрывоопасной зоне класса 1.

Оценка искробезопасности для интерфейса RS-485

Обычно в распределённых системах управления применяется метод досту­па к сети «ведущий-ведомый» (Master-slave). Это означает, что ведущее уст­ройство передаёт сообщение, которое посылается во взрывоопасную зону посредством соответствующего оборудо­вания. По сути, это оборудование пе­редаёт во взрывоопасную зону мощ­ность и является источником энергии. Ведомое устройство, например вынос­ное оборудование или прибор, под­тверждает полученное сообщение или пересылает информацию по удалённо­му запросу. В случае подтверждения сообщения ведомое устройство пере­даёт мощность в среду передачи и в этот момент времени фактически явля­ется источником энергии.

Исходя из таких особенностей пере­дачи данных, при оценке искробезо­пасности интерфейса RS-485 необхо­димо принимать во внимание наличие нескольких источников в сети.

С другой стороны, сетевое устрой­ство функционирует не только в режи­ме передачи, но и в режиме получения текущего сообщения, являясь, таким образом, приёмником. Следовательно, оценка напряжения, тока и мощности, необходимая для подтверждения иск­робезопасности, должна быть распро­странена на все возможные режимы работы и направления передачи сооб­щения:

• (связанное оборудование) —> (уст­ройство промышленной сети);

• (устройство промышленной сети) —> (связанное оборудование);

• (устройство промышленной сети) (устройство промышленной сети).

При такой оценке достаточно учитывать только макси­мальное выходное напряжение U0, ко­торое может появиться на соедини­тельных устройствах искробезопасных цепей электрооборудования в случае приложения максимального напряже­ния, и максимальное входное напря­жение U1, которое может быть прило­жено к соединительным устройствам искробезопасных цепей электрообору­дования без нарушения его искробезопасности.

3-3

3-4 Реализация системы управления на цифровых датчиках на примере. Системы автоматизированного контроля температуры в силосах элеваторов.

При хране­нии зернопродуктов необходимо контролировать температуру зерновой на­сыпи для того, чтобы предотвратить ухудшение качества и потери зерна в результате самосогревания. Для того чтобы своевременно выявлять возникновение очагов с по­вышенной температурой в зерновой насыпи, средства, применяемые для контроля температуры, должны обла­дать высокой чувствительностью и ма­лой погрешностью измерения. Зерновая на­сыпь с точки зрения контроля темпера­туры — сложный объект, и от того, сколько датчиков задействовано и как они распределены в насыпи, зависит эффективность обнаружения возникаю­щих очагов самосогревания. На основе теоретических и практических исследо­ваний определены оптимальные зна­чения погрешности измерения темпера­туры зерновой насыпи (не более +1°С) и интервала расположения точек измере­ния (не более 1,5 метров по вертикали). Автоматизация на базе старых мо­делей термоподвесок приводит к ощу­тимым затратам при неудовле­творительных значениях погрешности(±2°С), малом числе точек контроля (термоподвески-основные общие эле­менты систем контроля темпе­ратуры, уста­новленные в силосах элеватора, состоит из медных терморезисторов, число которых обычно 5-6). Вся сис­тема в целом должна быть сертифици­рована как средство измерения,т.к. применение различ­ного оборудования для построения системы контроля температуры может не дать требуемой погрешности изме­рения, даже если отдельные элементы системы сертифицированы.

Преимущества систем на базе цифровых датчиков: - Сокращаются в несколько раз за­траты на кабель­ную продукцию,- Обеспечиваются стабильные мет­рологические ха­рактеристики системы, - Значительно сокращаются пусконаладочные и эксплуатационные расходы при ощутимом повышении надёжно­сти системы(Система не требует об­служивания в процессе эксплуатации).

Пример реализации - система автоматизированного контроля темпе­ратуры АСКТ-01.

1.При применении термоподвесок ТУР-01 система стро­ится следующим образом. Термоподвес­ки ТУР-01 подключаются по шести линиям (32 прибора на одну ли­нию). На каждую линию (группу) уста­навливается модуль для усиления сигнала интерфейса RS-485. Для пита­ния термоподвесок ТУР-01 и модулей устанавливаются блоки БП-240 (один блок на две линии). Интерфейс­ные сигналы RS-485 с линий 1...6 объе­диняются и поступают на блок БУК-01.

2.При применении устройств контро­ля температуры УКТ-12 ис­пользуются 16 устройств контроля температуры УКТ-12. Каждое устрой­ство укомплектовано одним блоком БКТ-12 и термоподвесками ТП-01 (12 шт.). Для питания БКТ-12 устанавливаются блоки питания LOGOIPower (Siemens) с номиналом 24 В (1.3 А). Блоки БКТ-12 объединя­ются по интерфейсу RS-485 и подклю­чаются к блоку БУК-01.

Функций БУК-01:1.приём данных от термоподвесок ТУР-01 и/или блоков БКТ-12 по интерфейсу RS-485,2.настройка термоподвесок ТУР-01.XX и/или блоков БКТ-12, отображение информации о величи­нах измеряемых параметров и о вво­димых настройках на индикаторе,3. отслеживание достижения значения­ми температуры введённых уставок,

4.формирование команд на модули ре­лейной коммутации ADAM-4068(Advantech) по интерфейсу RS-485 при достижении уставок (при необходимости),5.подача сигналов звуковой и световой сигнализации при достижении уста­вок,6.ведение журнала событий,

7.обмен данными с ПЭВМ (интерфейс RS-485, протокол Modbus RTU).

В одной системе могут быть использованы одновремен­но термоподвески ТУР-01 и устройства контроля температуры УКТ-12. Термоподвески ТУР-01 и ТП-01 обеспечивают измерение температуры продукта в 30 точках по всей высоте си­лоса с дискретностью 1 метр. Термо­подвеска ТУР-01 обеспечивает также контроль уровня продукта. Диапазон измерения температуры от -40 до +70°С, диапазон измерения уровня до 30 метров. Конст­руктивно приборы ТУР-01 и ТП-01 со­стоят из механически и электрически объединённых электронного модуля и измерительного шлейфа. Измеритель­ный шлейф представляет собой труб­чатую оболочку из нержавеющей стали, внутри которой размеще­ны датчики температуры с кодовым выходным сигналом, подключённые к электронному модулю.

К вторичным приборам системы АСКТ-01 относятся блоки БУК-01 и БП-240, интерфейсные модули и мо­дули релейной коммутации, а также блоки питания LOGOIPower.

Программное обеспечение «АСК ТУР», которое обеспечивает отображение данных о температуре в силосах (по 1024 термоподвескам), архивирование данных, созда­ние отчётов. «АСК ТУР» содержит следующий набор программ: сервер опроса приборов, клиентское приложение, сервер базы данных MySQL.

Сервер опроса приборов осуществ­ляет следующие функции:

1.опрос блоков БУК-01 (до 5 шт.);

2.сохранение в архиве данных о темпе­ратуре и уровне продукта;

3.ввод уставок по уровню и температу­ре для каждого силоса. Клиентское приложение осуществ­ляет следующие функции:

1.отображение текущих и архивных значений температуры и уровня про­дукта;

2.создание и печать отчётов на основе текущей и архивной информации.

Сервер базы данных MySQL осуще­ствляет следующие функции:

1.ввод, коррекция и хранение таблиц, содержащих параметры настройки системы, текущие и архивные значе­ния температуры и уровня продукта;

2.регистрация и проверка прав доступа пользователей к системе;

3.получение информации от сервера

4.предоставление информации кли­ентским приложениям, установлен­ным на различных компьютерах (выпол­нены на языке Borland Delphi 6).

Главной особенностью системы АСКТ-01 является то, что она настраи­вается для каждого элеватора. При на­стройке вводятся названия силосов, осуществляется привязка к входам блоков БУК-01, вводятся геометриче­ские размеры силосов. В системе пре­дусмотрен ввод уставок по температуре и уровню, при включении которых осуществляется цветовая сигнализа­ция. Для конкретного заказчика могут быть дополнительно разработаны мнемосхемы с изображе­нием силосов в том виде, который при­меняется на предприятии.

При необходимости заказчики могут использовать свои SCADA-системы для просмотра данных. В блоке БУК-01 для связи с ПЭВМ используется прото­кол Modbus RTU, который поддержи­вается большинством SCADA-систем. Система АСКТ-01 сертифицирована без программного обеспечения верхнего уровня, поэтому возможно для ото­бражения данных на ПЭВМ применять любые программы.

3-5 Современные технические средства реализации алгоритмов управления технологическими процессами. Классификация современных контроллеров.

Контроллеры могут быть классифицированы по различным признакам: функ­циональным, конструктивным, объему вычислительных ресурсов, числу каналов ввода/вывода и др.

Следу­ет отметить, что эта классификация носит условный характер, поскольку моноблоч­ные или модульные контроллеры могут быть PC-совместимыми, а РС-совместимые контроллеры могут иметь модульную или моноблочную конфигурацию. Однако для проектирования АСУ ТП малой, средней или большой информационной мощности предварительный выбор аппаратно-программного обеспечения системы определя­ется выбором того или иного типа контроллера по вышеприведенной классифика­ции, прежде всего с учетом функциональных особенностей, производительности и числа каналов ввода/вывода. В последние годы наметился также класс мезонинных контроллеров.

Моноблочный контроллер представляет собой микропроцессорное устройство, в едином конструктиве которого располагаются источник питания (не обязательно), центральный процессор (сопроцессоры), память, включающая память программ и память переменных (как правило, энергонезависимая), встроенный порт(ы) для вы­хода в сеть, фиксированное число встроенных каналов аналогового и/или дискрет­ного ввода/вывода, встроенный ПИД-регулятор с автонастройкой (не обязательно), слот расширения для подключения дополнительных модулей, ЖК-дисплей (не обя­зательно), индикаторы состояния контроллера. Увеличение вычислительной мощности моноблочных контроллеров достигается с помощью блоков расширения, объединенных цифровыми линиями связи, и мезо­нинных модулей.

Модульные контроллеры представляют собой крейт (корзину) с модулем пита­ния, процессорным модулем и различным числом модулей ввода/вывода, коммуни­кационных и специальных модулей. Число модулей в корзине доходит до 16 и более. Число модулей может быть увеличено за счет плат расширения и добавления новых корзин. При выборе коммуникационных модулей промышленных сетей следует иметь в виду скорость и дальность передачи данных в сети, число узловых станций, наличие питания по шине, топологию сети. Следует отметить, что наблюдается рас­ширение применимости Ethernet-сетей, Internet-технологий и GSM-телемеханики (на базе сотового телефона, модема и SIM-карты) и ряда др.

PC-based или PC-совместимые контроллеры составляют отдельный класс программируемых контроллеров, значение и роль которых с развитием Internet-технологий существенно возрастает. PC-based контроллеры характеризуются нали­чием встроенной PC-совместимой операционной системы (Windows 9x/2000/NT/ ХР/СЕ, QNX, MS DOS, Linux, MiniOS7, OS-9 и др.), использованием стандартных системных шин (РС-104, VME, АТ96 и др.), возможностью использования стан­дартного программного обеспечения (ISaGraph, Си, Турбо-Си, Си++, Паскаль, Assembler, SCADA-систем Trace Mode, InTouch, Citect и др., а также баз данных), коммуникационных стандартов, наличием ОРС-сервера и др. PC-based контрол­леры, таким образом, могут использовать богатое программное обеспечение не­зависимых производителей, имеют значительно больший объем памяти, чем традиционные ПЛК, возможности расширения и модернизации, а также лучшие возможности диагностирования. PC-based контроллеры на базе промышленных ПК позволяют сосредоточить функции управления и визуализации в одном месте, используя встраиваемые системы — платы УСО, памяти, коммуникационные мо­дули и др., а SCADA-системы, требующие больших объемов памяти и недоступные ПЛК, легко реализуются на ПК. Промышленные компьютеры, выпускаемые рядом фирм (Advantech, Axiom, Portwell и др.), удовлетворяют самым жестким условиям эксплуатации, — степень защиты лицевой панели IP65, диапазон рабочих темпе­ратур от 0 до 50 °С.

Встраиваемые ПЛК (Embedded Controller) представляют собой полнофункцио­нальные системы, выполненные в форматах PCI, CompactPCI, ISA, PC/104, MicroPC и др., устанавливаемые в слот компьютера или объединительной платы, входящей в со­став оборудования. При этом встраиваемый ПЛК использует внешнее питание, степень защиты базовой системы, имеет малые габариты, легкость замены и ряд других досто­инств. Среди производителей встраиваемых систем фирмы Advantech, Fastwel, Octagon Systems и др. Примерами встраиваемых контроллеров служат RTU188 и СРШ88-5 фир­мы Fastwel, модель 5070 фирмы Octagon Systems и др. Новым направлением встраивае­мых систем является применение SOM-модулей, представляющих собой компактные высокоинтегрированные компьютеры, устанавливаемые на базовую плату.

Программирование контроллеров осуществляется в зависимости от задачи и типа контроллера на различных языках программирования по стандарту IEC 61131-3. Широко применяется программный пакет ISaGRAF как интегрированный пакет раз­работки и отладки приложений для ПЛК и связи с ПО верхнего уровня. Таким обра­зом, отмечается сближение технических характеристик ПК и ПЛК, удовлетворяющих требованиям единого стандарта IEC 1131, и имеющим общий механизм взаимодей­ствия программных средств в виде ОРС-сервера (OLE for Process Control), что по­зволяет на их базе создавать оптимальные структуры РСУ.

Как правило, контроллеры устанавливаются на DIN-рейку, а соединения с други­ми модулями, например с модулем питания, модулем аналогового ввода и др. осущест­вляются с помощью разъемов, жгутов или проводников с наконечниками «под винт».

3-6 Отличительные особенности современной кабельной продукции. Проблемы выбора. Настоящий инженер должен уметь отличать кабель от кабеля

Компоненты, из которых состоит кабель, – это проводники, внешняя оболочка кабеля, внутренняя изоляция, экранирование и бронирование. Производитель-Belden.

Проводники.

Проводники в кабелях могут изготавливаться из следующих материалов:меди лужёной и нелужёной,омеднённой стали,алюминия;никеля, серебра и т.д. Для высокочастотных кабелей применяют омеднённую сталь.Алюминий используют для изготовления экранов и оплёток.Никель и серебро применяются для покрытия поверхностей высокодобротных высокочастотных кабелей с низкими затуханиями и потерями.Нужно обращать внимание на величину сечения и качество материала.Проводники бывают одножильными и многожильными. Одножильный проводник образует одна монолитная проволока. Кабель с такими проводниками относительно жёсткий и используется при фиксированном монтаже, где существенные и частые изгибы исключены. Многожильный провод включает в себя несколько монолитных проводников, свитых или собранных вместе разными методами скрутки. Скрутка пучком(самый дешевый). В ней отсутствует какой-либо геометрический рисунок. Положение каждого проводника случайно. В основном применяется в кабелях питания.Более «продвинутый» способ скрутки – это концентрик(проводники располагаются слоями). Позиция каждого проводника по отношению к соседям контролируется. Компромиссный вариант –юнилэй,который является более простым в изготовлении, а следовательно, и более дешёвым. Это тот же концентрик, но все проводники всех слоёв закручены в одну сторону – по часовой стрелке или против неё(возможна самораскрутка). Качество скрутки, точность изготовления вместе с однородностью диэлектрика связаны с помехозащищённостью витой пары.

Внешняя оболочка кабеля и внутренняя изоляция.

Оболочка защищает внутренние компоненты кабеля во время хранения, монтажа и эксплуатации, придаёт внешний вид и обеспечивает устойчивость к горению. Внутренняя изоляция изолирует проводник в кабеле механически и электрически. Внешняя оболочка и внутренняя изоляция во многом определяют электрические и механические характеристики кабеля, их стабильность во времени и характер деградации в процессе старения, срок службы кабеля. ПВХ –обычно эластичный и достаточно прочный материал, не горюч,но плохие электрические параметры и используется в основном для кабельных оболочек. ПВХ не слишком хорошо сдерживает влагу и годится в основном для внутренней прокладки(но бывают и спецсоставы).Полиэтилен-прочный

и достаточно жёсткий, хорошо защищает от влаги, подходит для наружной прокладки, имеет широкий диапазон температур эксплуатации от –60 до+80°C,но он очень хорошо горит. Хлорированный полиэтилен (ХПЭ, CPE) обладает высокой химической стойкостью и к тому же не горит.Тефлон обладает хорошими механическими параметрами, отлично защищает от влаги, термостоек, имеет температурный диапазон

от –70 до +200°C и даже до +260°С и практически не горит. Сложные безгалогенные компаунды,полипропилен,полиуретан,резина и ее заменители.

Экранирование.

Слой фольги, нанесённый на плёнку из полиэстера- Beldfoil(добивается гибкости и, износостойкости экрана благодаря отличным механическим свойствам полиэстера, обеспечивает идеальное качество его поверхности на протяжении всего срока службы кабеля, поскольку доступ кислорода воздуха к ней исключён(но есть замыкающая складка→ ухудшаются параметры экранирования на высоких и сверхвысоких частотах

вследствие «щелевого» эффекта).Добавляют дополнительную складку при оборачивании проводников данным методом. Экран DUOBOND: слой адгезии из несмачиваемого материала, заполнивший капилляры, решает проблему влагозащиты;этот слой обеспечивает более быструю, удобную и надёжную заделку кабеля; этот слой выполняет механическую функцию,обеспечивая целостность экрана.Другой способ экранирования-оплетка.Она придаёт кабелю высокую прочность, гибкость, устойчивость к механическим воздействиям и множественным перегибам(французская оплетка,спиральная оплетка). На относительно низких частотах до нескольких десятков мегагерц оплётка обеспечивает лучшее экранирование,чем фольга, главным образом за счёт своей толщины. Однако затем экранирующие свойства оплётки резко ухудшаются и становятся почти неприемлемыми ещё до частоты 100 МГц,а фольга сохраняет удовлетворительные экранирующие способности в очень широком диапазоне частот, вплоть до гигагерц. Поэтому лучшие экраны из фольги и оплётки(либо даже четыре слоя, где фольга чередуется с оплёткой дважды).

Бронирование.

Кабель должен иметь защиту не только от электрических воздействий, но и от механических повреждений при монтаже и эксплуатации. Дополнительную механическую защиту кабеля обеспечивает бронирование.Способы бронирования: добавление слоя гофра из алюминия или стали,либо добавление оплётки из стальных проволок.

Выгоды, при использовании качественного кабеля.

1.Долговечность. Качественный кабель служит в разы дольше.

2. Точность и чистота передачи сигналов.Для инструментальных кабелей такие свойства обеспечивают получение чистых, не замусоренных помехами сигналов от датчиков.

3. Более высокая производительность.Качественный кабель обеспечит более высокую пропускную способность сети как за счёт возможности работать на более высоких скоростях для простых последовательных протоколов, так и из-за отсутствия искажённых пакетов данных, требующих повторной пересылки.

4. Больший радиус покрытия сети. С качественным кабелем можно надеяться, что максимальные расстояния между репитерами сети передачи данных, оговорённые стандартом,могут быть превышены.

5.Высокая конфиденциальность передачи информации. Это важно в целях недопущения несанкционированного съёма информации с линий связи.

6. Расширенная область применения( металлургия, коксохимическое пр-во, атомная энергетика).

3-7 ПИД-регуляторы: вопросы реализации. Качество регулирования. Выбор параметров. Правила ручной настройки. Численные методы оптимизации.

Перед тем как рассчитывать параметры регулятора, необходимо сформулировать цель и критерии качества регулирования, а также ограничения на величины и скорости изменения переменных в системе. Традиционно основные качественные показатели формулируются исходя из требований к форме реакции замкнутой системы на ступенчатое изменение уставки. Однако такой критерий очень ограничен. В частности, он ничего не говорит о величине ослабления шумов измерений или влияния внешних возмущений, может дать ошибочное представление о робастности системы. Поэтому для полного описания или тестирования системы с ПИД регулятором нужен ряд дополнительных показателей качества, о которых речь пойдёт дальше. В общем случае выбор показателей качества не может быть формализован полностью и должен осуществляться, исходя из смысла решаемой задачи.

Качество регулирования.

Выбор критерия качества регулирования зависит от цели, для которой используется регулятор. Целью может быть:

• поддержание постоянного значения параметра (например,температуры);

• слежение за изменением уставки или программное управление;

• управление демпфером в резервуаре с жидкостью и т.д.

Для той или иной задачи наиболее важным фактором может быть:

• форма отклика на внешние возмущения (время установления, перерегулирование, время отклика и др.);

• форма отклика на шумы измерений;

• форма отклика на сигнал уставки;

• робастность по отношению к разбросу параметров объекта управления;

• экономия энергии в управляемой системе;

• минимизация шумов измерений.

Для классического ПИД регулятора параметры, которые являются наилучшими для слежения за уставкой, в общем случае отличаются от параметров, наилучших для ослабления влияния внешних возмущений. Для того чтобы оба параметра одновременно были оптимальными, необходимо использовать ПИД регуляторы с двумя степенями свободы. Точное слежение за изменением уставки необходимо в системах управления движением, в робототехнике; в системах управления технологическими процессами, где уставка обычно остаётся длительное время без изменений, требуется максимальное ослабление влияния нагрузки (внешних возмущений); в системах управления резервуарами с жидкостью требуется обеспечение ламинарности потока (минимизация дисперсии выходной переменной регулятора) и т.д.

Рис. Критерии качества регулирования во временной области

Выбор параметров регулятора.

В общей теории автоматического управления структура регулятора выбирается исходя из модели объекта управления. При этом более сложным объектам управления соответствуют более сложные регуляторы. В нашем же случае структура регулятора уже задана – мы рассматриваем ПИД регулятор. Эта структура очень простая, поэтому ПИД регулятор не всегда может дать

хорошее качество регулирования, хотя в подавляющем большинстве приложений в промышленности применяются именно ПИД регуляторы. Впервые методику расчёта параметров ПИД регуляторов предложили Зиглер и Никольс в 1942 году. Эта методика очень проста и даёт не очень хорошие результаты. Тем не менее она до сих пор часто используется на практике, хотя до настоящего времени появилось множество более точных методов. После расчёта параметров регулятора обычно требуется его ручная подстройка для улучшения качества регулирования. Для этого используется ряд правил, хорошо обоснованных теоретически. Для настройки ПИД регуляторов можно использовать и общие методы теории автоматического управления, такие как метод назначения полюсов и алгебраические методы. В литературе опубликовано и множество других методов, которые имеют преимущества в конкретных применениях. Мы приведём только самые распространённые из них. Все аналитические (формульные) методы настройки регулято ров основаны на аппроксимации динамики объекта моделью первого или второго порядка с задержкой. Причиной этого является невозможность аналитического решения систем уравнений,

которое необходимо при использовании моделей более высокого порядка. В последние годы в связи с появлением мощных контроллеров и персональных компьютеров получили развитие и

распространение численные методы оптимизации. Они являются гибким инструментом для оптимальной настройки параметров регулятора для моделей любой сложности и легко учитывают нелинейности объекта управления и требования к робастности.

Рис. Критерии качества регулирования в частотной области

Ручная настройка ПИД регулятора, основанная на правилах.

Расчёт параметров по формулам не может дать оптимальной настройки регулятора, поскольку аналитически полученные результаты основываются на сильно упрощённых моделях объекта. В частности, в них не учитывается всегда присутствующая нелинейность типа «ограничение» для управляющего воздействия (см. раздел «Интегральное насыщение»). Кроме того, модели используют параметры, идентифицированные с некоторой погрешностью. Поэтому после расчёта параметров регулятора желательно сделать его подстройку. Подстройку можно выполнить на основе правил, которые используются для ручной настройки. Эти правила получены из опыта, теоретического анализа и численных экспериментов. Они сводятся к следующему:

• увеличение пропорционального коэффициента увеличивает быстродействие и снижает запас устойчивости;

• с уменьшением интегральной составляющей ошибка регулирования с течением времени уменьшается быстрее;

• уменьшение постоянной интегрирования уменьшает запас устойчивости;

• увеличение дифференциальной составляющей увеличивает запас устойчивости и быстродействие.

Перечисленные правила применяются также для регуляторов, использующих методы экспертных систем и нечёткой логики. Ручную настройку с помощью правил удобно выполнять с

применением интерактивного программного обеспечения на компьютере, временно включённом в контур управления. Для оценки реакции системы на изменение уставки, внешние воздействия или шумы измерений подают искусственные воздействия и наблюдают реакцию на них. После

выполнения настройки значения коэффициентов регулятора записывают в память ПИД контроллера, а компьютер удаляют. Отметим, что применение правил возможно только после предварительной настройки регулятора по формулам. Попытки настроить регулятор без начального приближённого расчёта коэффициентов могут быть безуспешными. При регулировке тепловых процессов настройка по правилам может занять недопустимо много времени. Сформулированные правила справедливы только в окрестности оптимальной настройки регулятора. Вдали от неё эффекты могут быть иными.

Численные методы оптимизации для настройки ПИД регуляторов.

Методы оптимизации для нахождения параметров регулятора концептуально очень просты. Выбирается критерий минимизации, в качестве которого может быть один из показателей

качества (см. подразделы «Критерии качества во временной области» и «Частотные критерии качества») или комплексный критерий, составленный из нескольких показателей с разными весо

выми коэффициентами. К критерию добавляются ограничения, накладываемые требованиями робастности. Таким путём получается критериальная функция, зависящая от параметров ПИД

регулятора. Далее используются численные методы минимизации критериальной функции с заданными ограничениями, которые и позволяют найти искомые параметры ПИД регулятора.

Методы, основанные на оптимизации, имеют следующие достоинства:

• позволяют получить оптимальные значения параметров, не требующие дальнейшей подстройки;

• не требуют упрощения модели объекта, модель может быть как угодно сложной;

• позволяют быстро достичь конечного результата (избежать процедуры длительной подстройки параметров).

Однако реализация данного подхода связана с большими проблемами, которые не один десяток лет являются предметом научных исследований. К этим проблемам относятся:

• длительность процесса поиска минимума;

• низкая надёжность метода (во многих случаях вычислительный процесс может расходиться и искомые коэффициенты не будут найдены);

• низкая скорость поиска минимума для овражных функций и функций с несколькими минимумами.

Тем не менее методы оптимизации являются мощным средством настройки ПИД регуляторов с помощью специально разработанных для этого компьютерных программ (см. раздел «Программные средства для настройки ПИД регуляторов»).

3-8 ПИД-регуляторы: вопросы реализации. Автоматическая настройка и адаптация. Табличное управление.

Естественным направлением развития коммерческих ПИД регуляторов является разработка методов, позволяющих снизить затраты человеческого труда на инсталляцию, настройку и об служивание. Автоматическая настройка, инициируемая без участия человека, называется адаптацией. Примером адаптации может быть автонастройка при изменении числа яиц в инкубаторе или при изменении нагрузки на валу двигателя.

Иногда термин «адаптация» трактуют более широко, как приспособление регулятора к реальному объекту на стадии ввода системы в эксплуатацию.

Разновидностью адаптации является разомкнутое управление параметрами регулятора (табличная автонастройка), когда заранее найденные параметры регулятора для разных условий работы системы заносятся в таблицу, из которой они извлекаются при наступлении условий, по которым инициируется адаптация. Отметим, что адаптация в принципе является медленным процессом, поэтому её нельзя рассматривать как непрерывное слежение параметров регулятора за изменяющимися параметрами объекта.

Отметим, что регуляторы, настроенные в автоматическом режиме, чаще настроены хуже, чем настроенные в ручном режиме. Объясняется это философским умозаключением, что компьютер не может выполнять сложные и плохо формализуемые задачи лучше человека. В настоящий момент отсутствуют простые, надёжные и общепринятые методы автоматической настройки.

Основные принципы.

Все виды автоматической настройки используют три принципиально важных этапа: идентификация, расчёт параметров регулятора, настройка регулятора. Часто конечный этап включает этап подстройки (заключительная оптимизация настройки). Оптимизация настройки необходима в связи с тем, что методы расчёта параметров регулятора по формулам не учитывают нелинейности объекта, в частности, всегда присутствующую нелинейность типа «ограничение», а идентификация параметров объекта выполняется с некоторой погрешностью. Подстройка регулятора может быть поисковой (без идентификации объекта, путём поиска оптимальных параметров) и беспоисковой (с идентификацией). Поисковая идентификация базируется обычно на правилах (см. раздел «Ручная настройки ПИД регулятора, основанная на правилах») или на итерационных алгоритмах поиска минимума критериальной функции. Наиболее распространён поиск оптимальных параметров с помощью градиентного метода: находят производные от критериальной функции по параметрам ПИД регулятора, которые являются компонентами вектора градиента, а далее производится изменение параметров в соответствии с направлением градиента.

Важно подчеркнуть, что несмотря на наличие автоматической подстройки, контроллер может не дать требуемого качества регулирования по причинам, не зависящим от качества заложенных в него алгоритмов. Например, если вследствие износа механической системы появился непредусмотренный проектом гистерезис и поэтому система находится в режиме колебаний, подстройка регулятора может не дать желаемого результата, пока не устранена причина проблемы.

Структурная схема самонастраивающейся системы приведена на рис. Автонастройка практически не имеет никаких особенностей по сравнению с описанными ранее методами, за исключением того, что она выполняется в автоматическом режиме. Основным этапом автоматической настройки и адаптации является идентификация модели объекта. Она выполняется в автома тическом режиме обычными методами идентификации параметров моделей объектов управления. Автоматическая настройка может выполняться и без идентификации объекта, основываясь на правилах (см. раздел «Ручная настройки ПИД регулятора, основанная на правилах») или поисковых методах.

Рис. Общая структура системы с автоматической настройкой

Табличное управление.

Наиболее простым методом адаптации ПИД регулятора к изменяющимся свойствам объекта управления является табличное управление коэффициентами регулятора. Он может быть использован не только для адаптивного управления, но и для управления нелинейными объектами, нестационарными процессами, при необходимости изменять параметры в зависимости от некоторых условий. Принцип табличного управления очень прост (рис). Зная заранее возможные изменения режима работы системы (например, возможные варианты загрузки инкубатора яйцами), выполняют идентификацию объекта для нескольких разных режимов и для каждого из них находят параметры регулятора. Значения этих параметров записывают в таблицу. В процессе функционирования системы измеряют величину, которая характеризует режим работы системы (например, вес яиц с помощью датчика веса или уровень жидкости в автоклаве с помощью датчика уровня), и в зависимости от её значений выбирают из таблицы значения коэффициентов ПИД регулятора. Описанную систему можно рассматривать как систему с двумя контурами регулирования. Однако контур, служащий для адаптации (в нашем примере с весом яиц в инкубаторе или уровнем жидкости в автоклаве), является разомкнутым. По этой причине табличное управление характеризуется высоким быстродействием, отсутствием ложного срабатывания или расхождения алгоритмов адаптации. В общем случае таблица может быть многомерной; для снижения необходимой размерности таблицы можно использовать интерполяцию данных с помощью сплайна. Недостатком этого метода являются большие затраты на предварительную идентификацию, необходимую для составления таблицы. Однако эту проблему частично можно решить по средством применения специальных программ для автоматической идентификации и адаптации регулятора, после выполнения которых полученные параметры заносятся в таблицу. Табличное управление коэффициентами регулятора целесообразно использовать в тех случаях, когда заранее известны виды и величины дестабилизирующих факторов, которые к тому же можно измерить.

Рис. Адаптивное управление с помощью параметров, заранее записанных в таблицу

3-9 Структура современных встраиваемых модульных систем с сетевой архитектурой

Модульная структура аппаратных и программных средств стала основопола­гающим принципом построения компь­ютерных систем автоматизации. Моду­ли процессоров и модули ввода-вывода со встроенными элементами обработки сигналов обычно объединяют с помо­щью магистрали (шины процессора и специальных параллельных и последо­вательных шин с общей средой связи), формируя магистрально-модульные структуры. Модули процессоров с ин­терфейсными схемами сопрягаются с шиной для взаимодействия с другими модулями (ввода-вывода, памяти) или друг с другом через общую среду связи (каналы, память). Проблемы и особенности современных модульных систем. Изначально модульные системы соз­давались на базе процессорных плат, которые фактически являлись мате­ринскими платами, исполнявшими функции активной объединительной панели для модулей ввода-вывода. С распространением 16- и 32-разрядных микропроцессоров появились ком­пактные процессорные модули и типо­вые наборы модулей ввода-вывода с одинаковым интерфейсом на пассив­ной общей шине, объединяющей мо­дули в магистрально-модульных систе­мах (ММС). Представителем совре­менных ММС являются системы PCI/PXI, VME/VXI. Другое направление развития модуль­ных систем связано с секционировани­ем большего числа модулей до 16 и бо­лее) в крейтах (шасси, корпусах, субблоках и т.п.) с пассивной объедини­тельной задней панелью (VME, CompactPCI и др.). Решения с пассивной объедини­тельной задней панелью и требуемым набором модулей отличают гибкость, производительность, высокая надёж­ность, широкий диапазон рабочих тем­ператур, защищённость от вибрации, пыли и влаги, из-за чего они находят применение во многих системах авто­матизации в промышленности, меди­цине, науке, военном деле и т.д.

Основные виды связи процессорных модулей в системах, различаемые по типу соединений. 1. Системы с магистральной структурой процессорных модулей на основе разделяемой среды связи могут исполь­зовать каналы параллельного, после­довательного и параллельно-после­довательного типов. 2. Системы с разделяемой общей памятью используются в многопроцессорных системах для быстрого взаимодейст­вия процессоров. 3. Последовательные и параллельно-последовательные двухточечные соединения («точка-точка») позволяют создавать быстродействующие соединения процессорных узлов благодаря передаче сигналов на высокой частоте и организации одновременных транзакций между многими узлами параллельной и конвейерной передачи пакетов и сообщений. 4. Масштабируемая сетевая архитектура систем с коммутируемой средой связи и двухточечными соединениями обес­печивает максимальную скорость транзакций узлов, возможность кон­вейерной связи многих узлов одно­временно, а при определённых мо­дификациях сетевых методов связи — и параллельно-конвейерную связь узлов с широкой полосой частот. Различают три основных вида встраивае­мых модульных систем: 1) само­стоятельные процессорные мо­дули и компьютеры для встраи­ваемых применений; 2) компактные модульные системы из набора процессорных модулей и модулей вво­да-вывода, группируемых вместе непо­средственным соединением плат без объединительной панели, например системы формата PC/104 и его расши­рений; 3) модульные системы с пассив­ной объединительной панелью, напри­мер PCI, VME. Встраиваемые компьютерные модули и системы Встраиваемые одноплатные компь­ютеры (SBC), компьютерные модули и системы обеспечили возможность соз­дания надёжных и компактных реше­ний для промышленной автоматиза­ции. Особое место среди встраиваемых модулей занимают такие изделия, как одноплатные модули COM (Computer-On-Module, «компьютер на модуле») и SOM (System-On-Module, «система на модуле»).

Другой подход связан с созданием магистрально-модульных систем из на­боров типовых модулей в соответствии с определёнными международными стандартами (PCI/PXI, VME/VX1). Об­шей особенностью таких систем явля­ется архитектура на основе параллель­ных шин сопряжения и связи с общей средой, которая становится узким ме­стом и ограничивает дальнейшее разви­тие пропускной способности системы.

Широкую популяр­ность приобрёл формат модульных систем РС/104. Компьютерный модуль можно объединять с модулями ввода-вывода в виде этажерки, используя прямые соединения.Спе­цификация ЕТХ, призванная в своё время поддержать шины ISA и PCI, по­лучила развитие в виде ЕТХ Express на базе PCI Express (PCIe). Новые специ­фикации EPIC Express и COM Express определяют переход на новые стандар­ты последовательной связи систем и ориентированы на 32-разрядные про­цессоры с малым энергопотреблением. Однако бо­лее перспективным решением пред­ставляется переход на коммутируемый интерфейс PCIe, обеспечивающий пропускную способность до 2.5 Гбит/с. В этом случае один канал последова­тельной связи между двумя узлами осу­ществляет передачу дифференциаль­ного низковольтного сигнала по 2 па­рам витых проводников с частотой 2,5 ГГц. В 2000 году образовались две группы ведущих фирм для разработки модуль­ных систем следующего поколения. Первая - PCI Express. Вторая группа пошла по пути создания новых систем с неограниченной полосой частот InfiniBand.

В новом интерфейсе последователь­ной связи PCIe данные передаются по­следовательностью битов и могут быть получены всеми устройствами, что снижает затраты, а также сокращается объём и вес оборудования связи. В отличие от традиционной параллельной шины по­следовательная линия связи с комму­татором PCIe поддерживает конвейер­ный тип связи. Линия связи (lane, двуна­правленный проводной канал) состоит из 2 пар дифференциальных провод­ников для передачи и приёма сигна­лов. Соединители PCI и PCIe несовместимы, однако благодаря схеме перехода на многих устройствах уста­навливают оба интерфейсных разъёма. Спецификация PCIe допускает уста­новку большего числа соединителей на плате. 2007 год - специ­фикация PCI Express 2.0, определяю­щая максимальную пропускную спо­собность lane 5 Гбит/с и сохранение совместимости с PCIe. Компактные модульные системы CompactPCI Express. Компактный вариант нового сопря­жения CompactPCI Express (cPCIe) обеспечил возможность создания сис­тем с 4-16 lane (проводными канала­ми) на один интерфейсный канал для достижения полосы пропускания 4 Гбайт/с. Каждый канал lane является полностью двунаправленным, то есть позволяющим одновременно произво­дить приём и передачу данных, за счёт чего его полоса пропускания расширя­ется с 250 до 500 Мбайт/с.

Спецификация перспективной системы связи ASI Спецификация ASI (Advanced Swit­ching Interconnect) разработана груп­пой компаний ASI SIG на базе архи­тектуры PCIe для создания улучшен­ной коммутирующей среды прямой связи всех подключаемых устройств с поддержкой разных топологий. Структуры на основе шины VME/ VXI являются другим распространён­ным видом модульных систем с маги­стральной архитектурой. Эти структуры были оптимизирова­ны для систем реального времени с 32-разрядными магистральными трак­тами данных и адресов и поддерживали много ведущих узлов с полным исполь­зованием полосы частот процессоров. КОММУТИРУЕМАЯ СЕТЕВАЯ СРЕДА СВЯЗИ InfiniBand

Эта спецификация вводится стандар­том PICMG 3.x — усовершенствованная архитектура для телекоммуникацион­ных вычислений (АТСА).

Спецификация InfiniBand для рас­пределённых систем с практически не­ограниченной полосой пропускания определяет архитектуру взаимодейст­вующих устройств, объединяемых в подсистемы ввода-вывода для серверов нового поколения.

3-10 Понятие шасси промышленных компьютеров с шиной CompactPCI.

Формат CompactPCI появился в ре­зультате попытки адаптировать конст­рукцию компьютера с системной ши­ной PCI к тяжёлым условиям эксплуа­тации в промышленности, на транс­порте, в военной технике.

В результате удалось улучшить не только механические показатели ком­пьютеров, но и надёжность, ремонто­пригодность и помехоустойчивость.

Условные обозначения:

1 — фланец; 2, 6 — вставные блоки;

3 — направляющая; 4 — источник питания;

5 — объединительная плата;

7 — элементы системы электромагнитного

экранирования (показаны только

уплотнительные прокладки лицевых панелей).

Рис. 1. Основные элементы компьютера

Конструкция

• Компьютер должен иметь модульную конструкцию. Каждый модуль дол­жен быть выполнен в виде открытого или закрытого вставного блока с металлической лицевой панелью, обес­печивающей его заземление, элек­тромагнитное экранирование и на­дёжную механическую фиксацию. Ширина лицевой панели должна быть кратна 4HP (1HP = 5,08 мм). Высота модуля должна равняться 3U или 6U (1U = 44,45 мм). При этом высота печатной платы, размещае­мой в блоке, должна равняться 100 мм или 233 мм соответственно.• Вставные блоки должны вдвигаться в корпус по направляющим. Направ­ляющие должны быть оборудованы кодирующими штифтами, исключающими неправильную ус­тановку блоков. • Источники питания, так же как и ос­тальные модули, должны быть вы­полнены в виде вставных блоков, од­нако печатная плата источника должна располагаться относительно передней панели на 1/2HP (2,54 мм) правее, чем у обычного модуля. В связи с этим для фиксации источни­ков следует использовать специаль­ные направляющие со смещённой дорожкой (рис. 3). Эти направляю­щие должны иметь зелёный цвет.• На лицевых панелях должны быть за­креплены рукоятки (экстракторы-ин­жекторы), предназначенные для из­влечения и установки модулей. Ниж­ние выступы рукояток (рис. 2) долж­ны входить в соответствующие пря­моугольные отверстия в корпусе компьютера.• Компьютер должен содержать располо­женную вертикально пассивную объе­динительную плату с унифицирован­ными соединителями IEC 61076-4-101 для подключения модулей. Соедини­тели должны располагаться парал­лельно с шагом 4HP. Объединитель­ная плата может состоять из несколь­ких сегментов — отдельных плат, со­единенных мостами PCI-PCI. На од­ном сегменте может размещаться до 8 соединителей. При необходимости модули должны подключаться не только к фронтальной, но и к тыльной стороне объединительной платы. Для этого должны использоваться соеди­нители с удлинёнными контактами, проходящими сквозь объединитель­ную плату. Модули, подключаемые с фронтальной и с задней стороны объ­единительной платы, должны содер­жать печатные платы длиной 160 и 80 мм соответственно • Соединители объединительной платы должны содержать кодирующие клю­чи, позволяющие гарантировать, что каждый модуль будет установлен только в слот с соответствующим уровнем питающего напряжения.• Конструкция компьютера должна до­пускать возможность «горячей» замены модулей. • Необходимо обеспечить эффективное электромагнитное экранированиекомпьютера и защиту его элементов от электростатических разрядов. С этой целью все внешние панели кор­пуса должны быть соединены между собой и с контуром защитного зазем­ления.

Заказ готового шасси с последующей установкой в него лег­ко заменяемых модулей. Обычно в со­став шасси входят:

• экранированный несущий корпус;

• элементы системы питания;

• объединительная плата;

• элементы системы вентиляции.

С точки зрения обеспечения отвода тепла и по механическим характери­стикам эта конструкция является опти­мальной. При определённом подборе источника питания и процессорного модуля, например, CPC502 (Fastwel) с источником P4180 (11098-087 Schroff), такая система может работать при ес­тественном конвективном охлажде­нии. Если требуется принудительное охлаждение, его легко обеспечить, до­бавив 19-дюймовый вентиляторный блок необходимой мощности.

Основной недостаток «классиче­ских» шасси — неоптимальное исполь­зование объёма, занимаемого в стойке: высота шасси определяется габаритами печатных плат (3U или 6U) и не зави­сит от их количества в системе.

Отклонения от стандартов

Один из таких при­меров — шасси формата pizza box, в котором модули распола­гаются горизонтально друг над другом. Недостатком конструкции можно считать обязательное наличие вентиля­торов для охлаждения модулей. Венти­ляторы производят шум, который неже­лателен в некоторых приложениях, и имеют небольшой (в сравнении с элек­тронными компонентами) срок службы. Чтобы компенсировать последний не­достаток, вентиляторные блоки делают съёмными, допускающими «горячую» замену. Предпочтение стоит от­дать вентиляторам, работающим на на­гнетание, — они дольше служат, так как находятся в более благоприятных темпе­ратурных условиях. Кроме того, при ра­боте вентиляторов на всасывание внут­ри корпуса компьютера создается пони­женное давление воздуха, из-за чего че­рез щели и неплотности в него проника­ет большое количество пыли.

Ещё один распространённый тип «нестандартного» конструктива для компьютера CompactPCI — настоль­ный приборный корпус. Поскольку шасси на базе такого кор­пуса не предназначено для встраива­ния в стандартную стойку, его габари­ты зависят только от объёма оборудо­вания, которое в нём требуется размес­тить. Условия для отвода тепла в таком кор­пусе не намного хуже, чем в «классиче­ском». Поток охлаждающего воздуха по­ступает через отверстия в нижней части передней панели и выходит из корпуса через отверстия в верхней части задней панели. Если естественного конвектив­ного охлаждения оказывается недоста­точно, на задней стенке может быть смонтирован вентиляторный блок.

Наличие общепринятых стандартов обеспечивает взаимную совместимость деталей, приобретаемых у разных изго­товителей. Однако самостоятельно за­ниматься подбором комплектующих для шасси CompactPCI компьютера и его сборкой имеет смысл только в тех случаях, когда к конструкции предъяв­ляются какие-то особые требования.