Фёдоров А.Ф., Кузьменко Е.А. Системы управления химико-технологическими процессами: учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

обеспечивается устойчивая работа системы связанного регулирования

в целом.

Системы регулирова-

ния соотношения двух па-

раметров

используются для

поддержания регулируемого

параметра в некотором соот-

ношении с другим парамет-

ром (рис. 8.54).

Рассмотрим построение

системы регулирования со-

отношения на примере испа-

рительной установки.

В установку подается поток испаряемой жидкости

и поток па-

ра

G , соотношение которых должно быть определенным, т. е.

kGG =)/(

. Поступающее в испаритель тепло должно обеспечивать

испарение всей жидкости, сохраняя материальный баланс, который

оценивается по уровню жидкости в испарителе. Регулятор соотношения

)(

сравнивает текущее значение соотношения потоков и изменяет

поток пара

G так, чтобы поддерживать их соотношение в соответст-

вии с заданным значением const

. Однако заданное соотношение

расходов жидкости и пара может оставаться постоянным, если уровень

возмущений, действующих на объект, достаточно низкий. При измене-

нии расхода или температуры испаряемой жидкости будет изменяться

интенсивность испарения, что скажется на изменении уровня жидкости

в аппарате из-за нарушения материального баланса. В этом случае со-

отношение расходов жидкости

пара в ис

паритель должно корректиро-

ваться регулятором )(

pW по третьему параметру y – уровню жидко-

сти в испарителе [)( y

= ].

9. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

На предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промыш-

ленности успешно работают автоматические системы регулирования,

построенные на базе пневматических и электронных комплексов. Вы-

бор приборов, регуляторов и исполнительных механизмов преимущест-

венно определяется пожаро- и взрывоопасностью производства. В по-

жаро- и взрывоопасных производствах используются пневматические

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

приборы контроля и регулирования или слаботочные электронные

взрывобезопасные приборы и регуляторы с пневматическими исполни-

тельными механизмами. Для автоматизации пожаро- и взрывобезопас-

ных производств, например в энергетике, в промышленности строи-

тельных материалов, применяются электронные приборы контроля

и регулирования.

9.1. Универсальная система элементов

промышленной пневмоавтоматики

Комплекс автоматических регуляторов «Старт»

построен на

базе элементов

«универсальной системы элементов промышленной

пневмоавтоматики» (УСЭППА)

и применяется для автоматизации

пожаро- и взрывоопасных производств. Система состоит из набора эле-

ментов, аналогичных по назначению электронным элементам.

Постоянный дроссель (пневмо-

сопротивление) предназначен для ог-

раничения или изменения расхода

воздуха и представляет собой капил-

ляр длиной 20 мм и диаметром 0,18

или 0,30 мм (рис. 9.1, а).

Расход воздуха зависит от пере-

пада давления:

)(

ppG

−

, (9.1)

где

– проводимость постоянного

дросселя.

Регулируемый дроссель типа ко-

нус–конус предназначен для измене-

ния расхода воздуха (рис. 9.1, б), ко-

торый зависит от перепада давления на дросселе и величины проводи-

мости регулируемого дросселя

)(

ppG

−

. (9.2)

Настройка дросселя ведется с помощью винта со шкалой, отградуиро-

ванной в процентах (для установки коэффициента усиления) или в ми-

нутах (для установки постоянной времени).

Переменный дроссель выполняется в виде устройства сопло–

заслонка (рис. 9.1, в) или шарик–цилиндр (рис. 9.1, г). При перемеще-

нии заслонки относительно сопла или шарика относительно цилиндра

изменяется расход воздуха.

Пневматические ёмкости объемом 50 см

предназначены для на-

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

копления сжатого воздуха при изменении давления. В комплекте с

дросселями они образуют глухие или проточные камеры для реализа-

ции апериодического звена первого порядка (рис. 9.2).

Для изотермических усло-

вий найдем уравнение динамики

глухой камеры (рис. 9.2, а). Ско-

рость приращения массы воздуха

в пневматической емкости опре-

делится уравнением

, (9.3)

где G – массовый расход воздуха через постоянный дроссель.

Запишем уравнение состояния идеального газа в ёмкости:

, (9.4)

определим выражение

Vm и продифференцируем его:

⋅

τ d

. (9.5)

Учитывая, что )(

ppG

−

α= , получим

⋅

θα

, (9.6)

или

T =+

. (9.7)

Из полученного выражения (9.7) следует, что в динамическом от-

ношении глухая камера является апериодическим звеном первого по-

рядка.

Аналогично для проточной камеры (см. рис. 9.2, б) уравнение ди-

намики можно получить в виде

2211

pkpkp

T +=+

, (9.8)

где

β+α

;

β+α

;

θβ+α

)(

В динамическом отношении это тоже апериодическое звено перво-

го порядка с двумя входными воздействиями –

p и

p .

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

На базе пневматических дросселей строятся дроссельные сумма-

торы

(рис. 9.3).

Сумматор с двумя дрос-

селями

(рис. 9.3, а) имеет два

входных сигнала –

p и

и выходной сигнал

. Поток

воздуха движется слева на-

право.

В соответствии с равен-

ством расхода воздуха через

дроссели запишем выражение

)()(

pppp

−

α , (9.9)

из которого найдем

2111221121

)1( pkpkpkpkppp −+=+=

β+α

. (9.10)

За счет изменения проводимости дросселей можно устанавливать

выходное давление в достаточно широком диапазоне между

p и

p .

Иногда такие сумматоры называют делителями давления. Если давле-

ние

p сделать постоянным, например

p =20 кПа, то выходное давле-

ние

будет изменяться пропорционально изменению давления

, как

у пропорционального звена (

pkp

k < 0).

Сумматор с тремя дросселями (рис. 9.3, б) преобразует разность

входных давлений

p и

p в разность выходных сигналов

p и

p по

пропорциональному закону.

Воспользовавшись выражением (9.10) для сумматора с двумя дрос-

селями, запишем равенства:

312

ppp

β+α

; (9.11)

423

ppp

β+α

. (9.12)

Из равенства (9.11) исключим

p , а из равенства (9.12) исклю-

чим

p и найдем разность давлений:

)((

41)4132

ppkpppp −=−

β+α

=−

, (9.13)

где )2/(

+αα=

может изменяться от 0,03 до 0,98.

Эластичные мембраны изготавливаются из прорезиненной ткани,

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

тефлона, капроновой пленки и других материалов (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Схемы мембран и их условное обозначение

Плоские (рис. 9.4, а), плоские с жестким центром (рис. 9.4, б)

и гофрированные с жестким центром (рис. 9.4, в) мембраны применя-

ются для изготовления различных элементов. Рассмотрим устройство

некоторых из них.

Трехмембранный элемент сравнения предназначен для сравнения

двух параметров (рис. 9.5).

Воздух питания через перемен-

ный дроссель поступает в камеру Г

и через перемычку в камеру А, из ко-

торой уходит в атмосферу также через

переменный дроссель. Три мембраны

с жесткими центрами объединены

в блок с помощью шпильки. Положе-

ние блока мембран зависит от разно-

сти давлений в камерах Б и В, куда по-

ступает воздух с давлениями

p и

p соответственно. Эффективная

поверхность мембраны, разделяющей камеры Б и В, значительно боль-

ше эффективных поверхностей других мембран. Если

p >

p , то

, и под действием разности этих сил блок мембран опустится

вниз. При этом дроссель в камере Г откроется полностью, а в камере А

закроется полностью и в перемычке установится максимальное давле-

ние

вых

= 100 кПа. Если

, то под действием разности сил, дей-

ствующих на мембрану, разделяющую камеры Б и В, блок мембран

поднимется вверх и дроссель в камере Г полностью закроется, в камере

А полностью откроется. Приток воздуха прекратится, в камерах А и Г

давление сравняется с атмосферным, поэтому

вых

p будет равно нулю.

Так как равновесие блока мембран является неустойчивым, то он всегда

будет занимать одно из крайних положений и выходное давление будет

равно нулю или 100 кПа.

Аналогично можно рассмотреть работу

пятимембранного эле-

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

мента сравнения (рис. 9.6). Сравниваются четыре входных давления.

При

)(

pp + > )(

pp + блок мембран опустится вниз и выходное дав-

ление станет равным

вых

p = 100 кПа. При )(

<)(

pp + блок

мембран поднимется в верхнее положение и выходное давление станет

равным нулю.

Пятимембранный элемент сравнения можно использовать в каче-

стве

сумматора (рис. 9.7), если выходное давление

вых

p направить в

камеру Б, создав тем самым отрицательную обратную связь, которая

обеспечит устойчивое равновесие при различных соотношениях вход-

ных давлений. При этом

321вых

pppp

−

. Таким образом, обеспечи-

вается алгебраическое суммирование трех входных давлений.

Аналогично строится

семимембранный сумматор, осуществляю-

щий алгебраическое суммирование пяти входных сигналов:

54321вых

pppppp

−

В состав элементов УСЭППА также входят

маломощные повто-

рители давления

, обеспечивающие пневматической цепи детектирую-

щие свойства;

мощные повторители давления, обеспечивающие уси-

ление пневматического сигнала по мощности (на выходе повторителя

давление равно входному, а расход воздуха многократно увеличивает-

ся);

задатчики, позволяющие вручную установить давление воздуха,

подаваемого на регулятор в качестве задания;

выключающие реле, по-

зволяющие отключать или переключать пневматический сигнал в дру-

гое устройство;

пневматические провода в виде трубок диаметром

18÷ мм, предназначенные для соединения элементов и устройств.

Пневматические провода из-за ограниченной скорости распростра-

нения сигнала давления относятся к объектам с распределенными па-

раметрами, динамические свойства которых приближенно описываются

уравнением

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

)()(

)(

0вхвых

вых

τ−τΔ=τΔ+

T , (9.14)

где

звука0

/ vl=τ – время прохождения сигнала по пневмопроводу; l –

длина пневмопровода;

звука

v – скорость распространения звука;

)/(32

dplT χη= ;

– коэффициент динамической вязкости воздуха;

– показатель адиабаты;

p – нормальное давление. Чтобы пневмо-

провод не вносил искажение в регулирующее воздействие, поступаю-

щее на исполнительный механизм, его длина должна быть минималь-

ной. В системах регулирования инерционных объектов она не должна

превышать 250

÷300 м.

9.2. Комплекс «Старт»

В комплекс «Старт» входят вторичные приборы, регулирующие

и функциональные устройства.

Вторичные приборы в своей структуре содержат измерительные

устройства (см. разд. 3.2) для измерения одного или нескольких пара-

метров и дополнительные устройства. Входной сигнал унифицирован-

ный пневматический – 20

÷100 кПа; давление питания сжатого воздуха

пит

p 140 кПа; шкалы градуируются в процентах (0

100 %) или в еди-

ницах размерности измеряемой величины.

Показывающие вторичные приборы предназначены для измере-

ния одного или двух параметров.

Таблица 9.1

Характеристики пневматических показывающих приборов

Тип Назначение

ПКП.1

ППВ 1.2

Показание значения одного параметра

ПКП.1П

ПВ 2.2

Показание значения одного параметра и формирование

пневматического сигнала при выходе его за пределы уста-

новленного диапазона

ПКП.1Э Показание значения одного параметра и формирование

электрического сигнала при выходе его за пределы уста-

новленного диапазона

ПКП.2 Показание значений двух параметров

ПКП.2.3 Показание значения одного параметра, показание значения

давления и на исполнительном механизме

ПВ 3.2 Показание значения одного параметра, показание значения

задания и давления на исполнительном механизме; пере-

ключение системы регулирования на ручное дистанцион-

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

ное, автоматическое или автоматическое программное

управление

ППМ–

20П

Показание текущего и номинального значения одного из 20

параметров и давления на исполнительном механизме

Самопишущие вторичные приборы предназначены для показания

и регистрации одного или нескольких параметров. Они снабжены лен-

топротяжным механизмом с пневматическим (индекс П) или электриче-

ским (индекс Э) приводом.

Таблица 9.2

Характеристики самопишущих пневматических приборов

Тип Назначение

РПВ4.2П

РПВ4.2Э

Запись и показание значения одного параметра

РПВ4.3П

РПВ4.3Э

Запись и показание значения двух параметров

РПВ4.5Э Запись и показание значения двух параметров и показание

третьего параметра

ПВ4.4П

ПВ4.4Э

Запись и показание значения трех параметров

ПВ10.1П

ПВ10.1Э

Запись и показание значения одного параметра, показание

значения задания и давления на исполнительном механиз-

ме; переключение системы регулирования на ручное дис-

танционное, автоматическое или автоматическое программ-

ное управление; формирование задающего и управляющего

воздействия

ПВ10.2П

ПВ10.2Э

Запись и показание значения двух параметров, показание

значения задания и давления на исполнительном механиз-

ме; переключение системы регулирования на ручное дис-

танционное, автоматическое или автоматическое программ-

ное управление; формирование задающего и управляющего

воздействия

Приборы ПВ3.2, ПВ4.4П, ПВ4.4Э, ПВ10.1П, ПВ10.1Э, ПВ10.2П

и ПВ10.2Э имеют пневматический разъем для подключения пневмати-

ческих регулирующих устройств.

Прибор контроля

пневматический интегрирующий ПИК–1 пред-

назначен для измерения количества вещества, протекающего по трубо-

проводу, путем непрерывного суммирования значений расхода за опреде-

ленный промежуток времени. Входной сигнал пневматический – 20

÷100

кПа.

Устройства регулирующие предназначены для технической реа-

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

лизации типовых законов регулирования.

Устройство регулирующее позиционное ПР1.5-М1 предназначе-

но для реализации двухпозиционного закона регулирования, построено

на базе трехмембранного элемента сравнения 1 (рис. 9.8).

Рис. 9.8. Устройство регулирующее двухпозиционное

Значение регулируемого параметра

вх

через переключатель 2 по-

дается в камеру Б элемента сравнения 1. В камеру В подается сформи-

рованное задатчиком 3 заданное значение

зд

в интервале 20

100 кПа,

контролируемое манометром М. В результате сравнения текущего зна-

чения регулируемого параметра с заданным на выходе формируется

дискретный сигнал 0 или 100 кПа. Усиленное усилителем мощности

УМ выходное давление подается на регулирующий орган. С помощью

переключателя 2 устройство регулирующее может быть настроено на

минимум или максимум, то есть входное давление может подаваться

в камеру Б или в камеру В, а заданное давление соответственно в ка

ме-

ру В или в камеру Б.

Устройство регулирующее позиционное ПР1.6-М1 предназначе-

но для реализации двухпозиционного с настраиваемой зоной возврата

закона регулирования, построено на базе пятимембранного элемента

сравнения, на который от прибора вторичного подается давление, соот-

ветствующее текущему и заданному значению регулируемого парамет-

ра, и давление, соответствующее половине зоны возврата.

Устройство регулирующее пропорциональное ПР2.8-М1 предна-

значено для реализации пропорционального закона регулирования

(рис. 9.9), построено на базе пятимембранного элемента 1 и двух трех-

дроссельных сумматоров 2 и 3. Входное

вх

p и заданное

зд

p давления

от прибора вторичного через переключатель 4 и трехдроссельный сум-

матор 2 поступают в камеры Д и Г. Опорное давление

оп

p и выходное

давление

p через трехдроссельный сумматор поступают в камеры В и Б.

Воздух питания поступает в камеру А повторителя давления 5, обеспе-

чивающего постоянный расход, и в камеру А пятимембранного блока,

откуда уходит в атмосферу. Равновесие блока мембран возможно при

выполнении равенства

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

вб

pp − +

p –

p = 0. (9.15)

Воспользовавшись выражением (9.13), запишем для трехдроссельных

сумматоров 2 и 3 соотношения

)(

здвх1гд

ppkpp

−

− ; (9.16)

)(

оп12вб

ppkpp

−

− , (9.17)

а затем подставим в выражение (9.15) и решим относительно

p :

опздвх

)( ppp

p +−= . (9.18)

Рис. 9.9. Устройство регулирующее ПР2.8-М1

Давление

p усиливается усилителем мощности УМ и через от-

ключающее реле ОР направляется на исполнительный механизм. Сле-

довательно,

вых1

pp = . С учетом этого окончательно запишем:

опздвхрвых

)( pppkp

−

, (9.19)

где

/ kkk

= – коэффициент усиления П-регулятора, который можно

устанавливать в интервале 0,03

50. Параметром настройки пропорцио-

нального регулятора является предел пропорциональности, связанный

с коэффициентом усиления выражением 100)/1(

⋅

k , поэтому на ре-

гуляторе устанавливается соответствующая расчетному коэффициенту

усиления величина предела пропорциональности в интервале от 2 % до

3000 %. Численные значения предела пропорциональности вводятся

с помощью регулируемых дросселей сумматоров 2 и 3. Шкала дроссе-

ля 3 отградуирована в интервале 0

100 %, а шкала дросселя 2 – от 100

до 3000 %.

Величину опорного давления обычно устанавливают равной 60 кПа,

с учетом того, что при

здвх

выходное давление

опвых

pp = , и ис-