Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация технических процессов в химической промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

рактеристики показателей, методы испытаний и др.) устанавли-

ваются стандартами.

Приведем определения показателей надежности, а также

связанных с ней понятий.

Наработка — продолжительность или объем работы изделия*

в данных условиях в течение рассматриваемого периода.

Безотказность — способность изделия сохранять работоспо-

собность в течение некоторой наработки без вынужденных пе-

рерывов.

Ремонтопригодность — свойство изделия, заключающееся в

его приспособленности к предупреждению, обнаружению и уст-

ранению отказов и неисправностей путем технического обслу-

живания и ремонтов.

Сохраняемость — способность изделия сохранять эксплуата-

ционные показатели в течение и после срока хранения и транс-

портирования, установленного в технической документации.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособ-

ности. Различают полные отказы, когда становится невозмож-

ным дальнейшее использование изделия, и частичные, при кото-

рых изделие может частично выполнять свои функции. На хими-

ческих предприятиях одни отказы могут привести к частичному

или полному останову процесса, получению брака, а другие, бо-

лее серьезные — даже к авариям.

Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособ-

ность до предельного состояния с необходимыми перерывами

для технического обслуживания. Показателями долговечности

могут быть ресурс, срок службы и др.

Ресурс — наработка изделия до предельного состояния, ого-

воренного в технической документации. Различают ресурс до

первого ремонта, межремонтный, назначенный, средний и др.

Срок службы — календарная продолжительность эксплуата-

ции изделия до момента возникновения предельного состояния,

оговоренного в технической документации, или до списания из-

делия. Можно различать срок службы до первого капитального

ремонта, между капитальными ремонтами, до снятия с эксплуа-

тации и т. п.

Срок гарантии — период, в течение которого изготовитель га-

рантирует и обеспечивает выполнение установленных требова-

ний к изделию при условии соблюдения потребителем правил

эксплуатации, хранения и транспортирования.

Гарантийная наработка — наработка изделия, до завершения

которой изготовитель гарантирует и обеспечивает (например,

путем поставки комплекта запасных частей) выполнение опре-

деленных требований к изделию при условии соблюдения потре-

бителем правил эксплуатации, хранения и транспортирования.

Техническое обслуживание — контрольные проверки и про-

филактические осмотры изделия, по результатам которых осу-

ществляется его ремонт. Для повышения надежности изделия

промежутки времени между проверками и осмотрами должны

«быть меньше наработки на отказ.

Непрерывное усложнение устройств и систем автоматизации

связано с увеличением числа элементов, из которых они состо-

ит, поэтому становится все труднее обеспечить их высокую на-

дежность.

При выборе способов обеспечения требуемой надежности из-

делий необходимо основываться на положениях теории надеж-

ности. Теория надежности — это наука о методах обеспечения

надежности изделий при их проектировании, изготовлении и

эксплуатации. Она изучает общие закономерности возникнове-

ния отказов изделий и восстановления их работоспособности,

рассматривает влияние различных факторов на изделия, дает ос-

новы для расчета надежности изделий и прогнозирования их от-

казов. В теории надежности широко используются методы мате-

матической статистики, теория вероятностей, теория массового

обслуживания, линейное и динамическое программирование и

другие математические методы.

Согласно теории надежности все изделия делятся на два

класса: невосстанавливаемые (не подлежащие восстановлению

•ъ случае отказа) и восстанавливаемые. Примерами изделий пер-

вого класса могут быть электронные лампы, резисторы, конден-

саторы. Хотя некоторые из них и могут быть восстановлены, но

затраты времени и сил на такую работу неоправданно велики.

Примерами восстанавливаемых изделий являются манометры,

потенциометры, ЭВМ, системы управления технологическими ап-

паратами и машинами.

Показателями надежности невосстанавливаемых изделий яв-

.ляются вероятность безотказной работы, интенсивность отказов,

средняя наработка на отказ.

В качестве показателей-надежности восстанавливаемых из-

..делий обычно принимают вероятность безотказной работы (как

без учета восстановления, так и с учетом его), среднее время

безотказной работы, среднее время восстановления, среднее чис-

ло отказов изделия за единицу времени (параметр потока отка-

зов), коэффициент готовности (вероятность того, что изделие

<будет работоспособно в произвольно выбранный момент времени

между плановыми ремонтами), коэффициент технического ис-

пользования (отношение наработки системы в единицах времени

.за некоторый период эксплуатации к сумме, состоящей из этой

наработки и из времени, затраченного на ремонт и техническое

обслуживание за тот же период эксплуатации). Управляющие

системы, как правило, являются восстанавливаемыми изделия-

ми. Показатели надежности восстанавливаемых изделий рассчи-

тывают по следующим формулам.

Вероятность* безотказной работы изделия в течение интервала времени т:

(Т)

Рб.в (Т)

~ Рб.в

(Т)]

(Тд

0П

)

ягде Ро.в(т)—вероятность безотказной работы за интервал времени т без

учета возможности восстановления; 1—Рв. в (т)—вероятность отказа в ин-

тервале времени т; Р

(Т'доп) — вероятность восстановления за интервал вре-

мени Т доп.

В свою очередь

Рв.ь (т) = е"

Т/Гс

Р Р

(Г

доп

) = 1 -

ДОП

/Г

где Т

р — среднее время безотказной работы изделия; 1 в — среднее время

восстановления изделия; 7

Д0П

—допустимое время восстановления.

Среднее время безотказной работы изделия (средняя наработка до от-

каза)

где Ti — наработка до отказа t'-ro изделия; N — число испытываемых одно-

типных изделий.

Среднее время восстановления изделия

где Т

1 — время восстановления /-го изделия.

Параметр потока отказов

со (О

N N "J

(О

.«=1 1=1 Jy

NAI

где t — наработка; A/— достаточно малый промежуток времени; mi(t+A.t) —

число отказов /-го изделия за время t+At; mi(t) —число отказов i-ro изде-

лия в течение наработки /.

Коэффициент готовности

Кг =

СР

1(Т

СР

-f Г

)

Коэффициент технического использования

•Кт.и ~ ^сум/(^сум + ^рем ~f" ^обс)

где /

ум — суммарная наработка изделия в течение рассматриваемого про-

межутка времени; /

рем

— время простоев в ремонте; /

бс — время простоев

на обслуживании.

Требования к надежности изделий определяются последст-

виями их отказов. Повышение надежности изделия связано с

увеличением затрат на его проектирование и изготовление, од-

нако при этом уменьшаются затраты на эксплуатацию (ремонт)

этих изделий. При выборе (в период проектирования) показате-

лей надежности необходимо обеспечить минимальные затраты

на проектирование, изготовление и эксплуатацию изделия.

* Вероятность — количественная характеристика возможности какого-ли-

бо события.

Методы повышения надежности. Надежность изделий закла-

дывается при их разработке, обеспечивается при изготовлении

и поддерживается в ходе эксплуатации. Например, большое

число отказов электрических схем управления вызывается не-

удачными (неправильными) решениями, принятыми на стадии

их разработки. Целесообразно использовать схемы, многократно

проверенные в ходе эксплуатации, а при разработке новых (осо-

бенно сложных) схем тщательно проверить их при различных

режимах в лабораторных условиях. Надежность электрических

схем управления уменьшается с увеличением числа используе-

мых в них элементов. При выборе элементов необходимо стре-

миться к уменьшению числа их типов и обращать внимание на

то, чтобы ресурс работы элементов был не меньше заданного

ресурса всего изделия (схемы, системы).

С целью повышения надежности электрических схем широко

применяют метод недогрузки элементов по току и напряжению

(по сравнению со значениями, указанными в документации на

них). На стадии проектирования необходимо иметь в виду, что

в отдельные моменты времени источники питания могут не иметь

постоянных параметров тока (напряжение, частота), а также то,

что при включении или отключении изделия происходит скачок

тока. Проектировщик должен учитывать условия, в которых

придется работать изделию; электрические и магнитные поля,

механические нагрузки, вибрации, влажность, температуру ок-

ружающей среды, тепловыделения изделия.

Все элементы в изделии должны быть доступны для осмотра,

ремонта и замены; это повышает такой показатель надежности,

как ремонтопригодность. Эффективным методом повышения на-

дежности изделий является резервирование — повышение надеж-

ности изделия путем введения резервных (избыточных) частей

(или целого изделия), которые могут продолжать выполнять

функции основных элементов (или всего изделия) в случае их

отказа.

Резервирование позволяет построить сколь угодно надежную

схему из малонадежных элементов. Существует несколько спо-

собов резервирования. Если резервные устройства подключены

к основным постоянно, резервирование называется постоянным.

Когда резервные устройства подключаются только после отказа

основных, то это — резервирование замещением. Оно может быть

нагруженным (третий резерв), ненагруженным (холодный ре-

зерв), облегченным (теплый резерв). При нагруженном резер-

вировании основные и резервные части (изделия) находятся

под,одинаковой нагрузкой. При облегченном резервировании

резервные изделия до отказа основных находятся под меньши-

ми нагрузками, чем основные (дежурный режим).

В зависимости от того, полностью резервируется автоматиче-

ское устройство или частично, различают соответственно общее

и поэлементное резервирование. Поэлементное резервирование

выгоднее общего, но ввиду необходимости большого числа пере-

ключающих устройств уменьшаются эффективность резервиро-

вания и надежность изделия. Поиск неисправности и включения

резерва желательно автоматизировать.

В процессе изготовления изделий, монтажа схем и систем

должен быть обеспечен непрерывный контроль за соблюдением

установленной технологии изготовления и монтажа. Необходи-

мо контролировать также качество сырья, материалов, комплек-

тующих узлов и изделий, получаемых с других предприятий. На-

конец, необходимо тщательно контролировать соответствие вы-

пускаемых изделий действующим стандартам или техническим

условиям.

В ходе эксплуатации изделия требуется безоговорочно вы-

полнять все действующие инструкции и предписания (правила

включения изделия в работу, сроки и порядок проведения пре-

дупредительных ремонтов, в частности своевременную замену

отдельных элементов по окончании установленного для них сро-

ка службы, и т. п.).

5. РАЗРАБОТКА УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Объект управления является заданной, неизменяемой частью

системы управления. Для того чтобы система достигла цели

управления, необходимо, зная свойства объекта управления, со-

здать соответствующую ему управляющую систему. Свойства

объекта управления изучают на основании его статических и

динамических характеристик. Получить характеристики объекта

можно аналитическим методом и экспериментальными метода-

ми — активным и пассивным.

Для получения статической характеристики объекта анали-

тическим методом необходимо составить уравнение, связываю-

щее выходную величину с входной в установившемся (статиче-

ском) состоянии объекта. Далее задаются различными значе-

ниями входной величины и по уравнению рассчитывают соответ-

ствующее значение выходной величины. По полученным данным

строят линию статической характеристики объекта.

При поступлении возмущения в объект, находившийся в рав-

новесном состоянии, возникает переходный процесс, при котором

выходная величина изменяется во времени. Процесс изменения

выходной величины во времени является динамической характе-

ристикой объекта. Для получения динамической характеристики

аналитическим методом нужно решить дифференциальное

Уравнение, связывающее входную и выходную величины объек-

та во времени, т. е. получить кривую изменения выходной вели-

чины*.

Достоинство аналитического метода заключается в возмож-

ности составления характеристики объекта управления на ста-

* Дифференциальные уравнения объектов рассматриваются в курсе

«Автоматическое регулирование и регуляторы».

дии проектирования. Однако при этом трудно учесть конкрет-

ные особенности данного технологического объекта, такие, как

изменение активности катализатора, появление накипи и т. п.

Поэтому аналитический метод используют для получения харак-

теристик только простых объектов управления.

Экспериментальный активный метод (метод искусственных

воздействий) состоит в том, что входному параметру объекта

сообщают пробные изменения (ступенчатое, импульсное, в виде

гармонических колебаний и т. п.). Регистрируя при этом изме-

нение выходного параметра объекта во времени, получают дина-

мическую характеристику объекта, а построив график (таблицу)

зависимости между отдельными значениями входной и устано-

вившимися значениями выходной величины, получают статиче-

скую характеристику объекта.

При исследовании сложных объектов со многими взаимосвя-

занными параметрами необходимо снять характеристики для

всех возможных режимов работы объекта с учетом всех источ-

ников возмущений. После проведения экспериментов результа-

ты опытов обрабатывают.

Для реализации этого метода могут быть использованы как

имеющиеся на установке контрольно-измерительные приборы,

так и установленные специально.

Достоинство аналитического метода заключается в его про-

стоте, а также в том, что не требуется значительного времени

для наблюдения и обработки результатов. Однако в действую-

щие технологические аппараты не всегда можно вносить изме-

нения входных параметров. Кроме того, в ряде случаев невоз-

можно проследить реакцию объекта только на пробное измене-

ние, так как в объекты, как правило, поступают и другие воз-

действия.

Пассивный метод (статистический) основан на исследовании

объектов управления в процессе нормальной эксплуатации.

В течение длительного времени (6—12 месяцев) фиксируют

данные нормально работающей аппаратуры, после обработки

которых получают характеристики объекта.

В качестве примера использования этого метода можно при-

вести работы по составлению математической модели одного из

процессов производства синтетического каучука. Исходными

данными послужил статистический материал, собранный по ре-

зультатам обработки 82 опытов, проведенных при нормальном

режиме эксплуатации оборудования. Опыты заключались в од-

новременной регистрации 25 переменных, характеризующих

процесс.

Пассивный метод наиболее перспективен. Правда, он приме-

няется в меньшей степени, чем активный, так как связан со сбо-

ром и обработкой большого количества информации.

Разработку систем управления начинают с выбора парамет-

ров, участвующих в управлении. К ним относятся контролируе-

мые, сигнализируемые и регулируемые величины, а также пара-

метры, изменяя которые, можно вносить регулирующие воздей-

ствия. Далее выбирают идеи и способы осуществления защиты и

блокировки, а затем — конкретные автоматические устройства

управляющей системы. Существенное значение имеет минимиза-

ция числа параметров управления.

Проектируемая система управления должна обеспечивать

достижение цели управления в любых условиях, а также без-

опасность работы объекта; при этом она должна быть простой и

-надежной.

Разработка высокоэффективных систем управления процес-

сами химической технологии часто затруднена, что объясняется

•сложностью процессов, высокими скоростями реакций, большой

мощностью технологических аппаратов, взрыво- и пожароопас-

ностыо перерабатываемых веществ, отсутствием надежных пер-

вичных преобразователей некоторых параметров (состава,

влажности и др.).

Основными автоматическими устройствами, поддерживаю-

щими требуемый технологический режим в объекте, являются

регуляторы. Поэтому сначала целесообразно наметить регули-

руемые параметры процесса и каналы внесения регулирующих

воздействий и только после этого приступать к выбору осталь-

ных параметров.

Выбор регулируемых величин и каналов внесения регулирую-

щих воздействий. Выбрать из ряда параметров процесса те, кото-

рые следует регулировать и изменением котррых целесообразно

вносить регулирующие воздействия, можно только при хорошем

знании процесса. При этом определяют: целевое назначение

процесса; взаимосвязь его с другими процессами производства;

показатель эффективности и значение, на котором он должен

поддерживаться; статические и динамические характеристики

объекта. Затем анализируют вероятность поступления в объект

возмущающих воздействий и возможности устранения их до по-

ступления. Особое внимание необходимо обратить на стабилиза-

цию входных параметров, так как с их изменением в объект

поступают наиболее сильные возмущения.

Как правило, все возмущающие воздействия не удается лик-

видировать до поступления их в объект управления: не все

входные и выходные параметры поддаются стабилизации, так

как многие из них определяются технологическим режимом пре-

дыдущего или последующего процессов; очень трудно (а часто

практически невозможно) предусмотреть и устранить внутренние

возмущающие воздействия.

Возмущающие воздействия, не поддающиеся ликвидации до

поступления в объект, приводят к изменению показателя эффек-

тивности. Чтобы обеспечить, например, заданное постоянное

значение показателя эффективности, в этих случаях необходимо

в качестве регулируемой величины взять сам показатель эффек-

тивности, а регулирующее воздействие вносить изменением од-

ного из параметров, наиболее эффективно влияющего на пока-

Б,В Z

Рис. 1.3. Характеристики объекта:

а — статические; б — динамические; А — режимный параметр (или показатель эффектив-

ности); Б, В — входные параметры; / — при изменении параметра Б; 2 — при измене-

нии параметра В; т

— момент нанесения возмущения.

затель эффективности. Ранее намеченные узлы стабилизации"

входных, режимных (внутренних) и выходных параметров оста-

ются в схеме; они повышают качество регулирования показа-

теля эффективности.

Выбор эффективных каналов внесения регулирующих воз-

действий основан на анализе статических и динамических ха-

рактеристик объектов.

Статические характеристики позволяют оценить степень

влияния одних параметров на другие. На рис. 1.3, а показана

зависимость параметра А (например, показателя эффективно-

сти) от параметров Б и В. Анализ статических характеристик

показывает, что даже большие изменения параметра Б не ока-

зывают заметного влияния на параметр А. Поэтому нецелесооб-

разно использовать параметр Б и для внесения регулирующих

воздействий. Изменения же параметра В вызывают сравнитель-

но сильное воздействие на параметр А.

Исследование динамических характеристик необходимо для

выбора каналов, по которым регулирующие воздействия вно-

сятся наиболее эффективно. Из графика на рис. 1.3,6 видно, что

наименьшие запаздывания происходят при изменении входного

параметра В (кривая 2). При снятии динамических характери-

стик / и 2 значения возмущений по каналам параметров В и Б

были подобраны таким образом, чтобы новое, установившееся

значение параметра А в обоих случаях было одинаковым.

Выбор контролируемых величин. При выборе контролируе-

мых величин необходимо руководствоваться тем, чтобы при ми-

нимальном их числе обеспечивалось наиболее полное представ-

ление о процессе.

Контролю подлежат прежде всего те параметры, знание те-

кущих значений которых облегчает пуск, наладку и ведение тех-

нологического процесса. К таким параметрам относятся все

регулируемые величины, нерегулируемые внутренние парамет-

ры, входные и выходные параметры, цри изменении которых в

объект могут поступать возмущающие воздействия.

Для осуществления оперативного управления возникает не-

обходимость контроля наиболее важных выходных параметров

процесса, например количества полученного конечного продукта,

его температуры и состава.

Для получения данных, необходимых для хозрасчетных опе-

раций и подсчета технико-экономических показателей, контроли-

руют еще одну группу параметров, к которым относятся, напри-

мер, количества потребляемой электроэнергии, тепло- и хладо-

носителей.

Выбор сигнализируемых величин. К выбору параметров сиг-

нализации приступают после анализа объекта с учетом его

взрыво- и пожароопасноети, а также токсичности и агрессивно-

сти перерабатываемых веществ.

Сигнализации подлежат все параметры, изменения которых

могут привести к аварии, несчастным случаям (например, от-

равлениям) или серьезному нарушению технологического режи-

ма. К ним относятся концентрация взрывоопасного вещества в

воздухе производственного помещения, уровень жидкости, дав-

ление в аппаратах и др.

Если к отклонению регулируемых величин предъявляют

жесткие требования, они одновременно являются и сигнализи-

руемыми. Сигнализации подлежат главные параметры регулиро-

вания в многоконтурных системах; остановка оборудования, не

предусмотренная технологическим регламентом; предельные

значения параметров, которые контролируются с целью прове-

дения оперативного управления.

Одним из важных назначений устройств сигнализации явля-

ется оповещение обслуживающего персонала о нарушениях

технологического процесса, которые могут привести к браку вы-

пускаемой продукции. В связи с этим следует сигнализировать

об отклонениях наиболее ответственных внутренних параметров

и показателей эффективности, а также о прекращении подачи

продуктов, теплоносителей и т. п.

Выбор параметров и способов защиты и блокировки. В каче-

стве параметра, при значительном отклонении которого срабаты-

вает устройство автоматической защиты, прежде всего следует

брать концентрацию взрывоопасного вещества в воздухе произ-

водственного помещения. Если концентрация достигает опасно-

го значения, устройство защиты обеспечивает проведение необ-

ходимых при этом мероприятий (прекращается поступление на

производственный участок данного вещества; снижается давле-

ние в аппаратах; приводится в действие аварийная система вен-

тиляции).

Опасность взрыва или аварии может возникнуть и в случае

прекращения подачи одного из веществ в технологический ап-

парат, например охлаждающего агента в реактор, где идет реак-

ция с выделением тепла. При этом устройство защиты должно

полностью изолировать данный аппарат, отключив от него все

магистрали, по которым подаются вещества, способствующие

возникновению аварии.

Одним из обязательных параметров защиты должно быть.

давление в аппарате. В случае повышения давления до опасно-

го предела должно срабатывать автоматическое устройство,

обеспечивающее сообщение полости аппарата с атмосферой или

линией продувки. Одновременно должны быть приняты меры,

для изоляции аппарата от источника давления (насос, компрес-

сор).

При выходе из строя насоса (или компрессора) устройство'

защиты должно автоматически включить резервный насос (или

компрессор).

сказано, должны предотвратить неправильный пуск и останов

аппаратов и. машин, исключить, в частности, возможность прове-

дения последующих операций, если не выполнена предыдущая.

Например, в схемах управления реверсивными электродвигате-

лями предусматривается блокировочная зависимость, исклю-

чающая возможность одновременного срабатывания обоих маг-

нитных пускателей (для избежания короткого замыкания фаз).

Выбор средств автоматизации. Средства автоматизации, с по-

мощью которых будет осуществляться управление процессом,

должны быть выбраны технически грамотно и экономически-

обоснованно.

Конкретные типы автоматических устройств выбирают с уче-

том особенностей объекта управления и принятой системы уп-

равления (местное или централизованное управление). В пер-

вую очередь принимают во внимание такие факторы, как пожа-

ро- и взрывоопасность, агрессивность и токсичность сред, число^

параметров, участвующих в управлении, и их физико-химиче-

ские свойства, а также требования к качеству контроля и регу-

лирования.

В связи с тем, что большинство химических производств от-

носится к числу пожаро- и взрывоопасных, автоматизация в хи-

мической промышленности осуществляется на основе использо-

вания пневматических средств при централизованном управле-

нии. Применение пневматических приборов при прочих равных

условиях обходится примерно на 30% дешевле, чем электриче-

ских, однако с увеличением длины пневматических трасс возра-

стают запаздывания при передаче показаний приборов, что при-

водит к ухудшению качества управления. Поэтому наиболее це-

лесообразно применять пневматические средства автоматизации,

когда расстояния между приборами, установленными непосред-

ственно на технологическом оборудовании, и приборами, распо-

ложенными на щитах, сравнительно невелики (не более 300 м).

При большом расстоянии между технологическими аппарата-

ми и щитами управления целесообразнее применять электриче-

ские средства автоматизации. Они характеризуются гораздо

меньшим запаздыванием и превосходят пневматические по точ-