К основным технологическим параметрам, подлежащим контролю и регулированию в химико-технологических процессах, относят расход, уровень, давление, температуру, значение рН и показатели качества (концентрацию, плотность, вязкость и др.)* [Основы измерения этих параметров, автоматические приборы контроля и исполнительные устройства изучают в курсах «Технологические измерения и приборы» и «Технические средства автоматизации». Здесь рассмотрены особенности регулирования этих параметров с учетом статических и динамических характеристик каналов регулирования, приборов контроля и средств автоматизации и приведены примеры наиболее распространенных систем регулирования некоторых параметров.]. Регулирование расхода. Необходимость регулирования расхода возникает при автоматизации практически любого непрерывного процесса. АСР расхода, предназначенные для стабилизации возмущений по материальным потокам, являются неотъемлемой частью разомкнутых систем автоматизации технологических процессов. Часто АСР расхода используют как внутренние контуры в каскадных системах регулирования других параметров. Для обеспечения заданного состава смеси или для поддержания материального и теплового балансов в аппарате применяют системы регулирования соотношения расходов нескольких веществ в одноконтурных или каскадных АСР.

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).

На рис. 2.1 дана принципиальная схема объекта при регулировании расхода. Обычно таким объектом является участок трубопровода между точкой измерения расхода (например, местом установки сужающего устройства 1 ) и регулирующим органом2. Длина этого участка определяется правилами установки сужающих устройств и регулирующих органов и составляет обычно несколько метров. Динамика канала «расход вещества через клапан - расход вещества через расходомер» приближенно описывается апериодическим звеном первого порядка с чистым запаздыванием. Время чистого запаздывания обычно со-

Рис. 2.1. Принципиальная схема объекта при регулировании расхода: /-измеритель расхода; 2 - регулирующий клапан

ставляет доли секунд для газа и несколько секунд - для жидкости; значение постоянной времени - несколько секунд.

Ввиду малой инерционности объекта регулирования особые требования предъявляются к выбору средств автоматизации и методов расчета АСР. В частности, в промышленных установках инерционность цепей контроля и регулирования расхода становится соизмеримой с инерционностью объекта, и ее следует учитывать при расчете систем регулирования.

Приближенная оценка чистого запаздывания и постоянных времени отдельных элементов цепи показывает (рис. 2.2), что современные первичные преобразователи расхода, построенные на принципе динамической компенсации, можно рассматривать как усилительные звенья. Исполнительное устройство аппроксимируется апериодическим звеном первого порядка, постоянная времени которого составляет несколько секунд, причем быстродействие исполнительного устройства существенно повышается при использовании позиционеров. Импульсные линии, связывающие средства контроля и регулирования, аппроксимируются апериодическим звеном первого порядка с чистым запаздыванием, параметры которого определяются длиной линии и лежат в пределах нескольких секунд. При больших расстояниях между элементами цепи необходимо по длине импульсной линии устанавливать дополнительные усилители мощности.

Вследствие малой инерционности объекта рабочая частота может оказаться выше максимальной, ограничивающей область нормальной работы промышленного регулятора, в пределах которой реализуются стандартные законы регулирования. За пределами этой области динамические характеристики регуляторов отличаются от стандартных, вследствие чего требуется введение поправок на рабочие настройки с учетом фактических законов регулирования.

Рис. 2.2. Структурная схема системы регулирования расхода:

1 - объект;2 - первичный преобразователь расхода;3 - регулятор;4 - импульсные линии;5 - исполнительное устройство

Выбор законов регулирования диктуется обычно требуемым качеством переходных процессов. Для регулирования расхода без статической погрешности в одноконтурных АСР применяют ПИ-регуляторы. Если АСР расхода является внутренним контуром в каскадной системе регулирования, ре-

Рис. 2.3. Схемы регулирования расхода после центробежного (а) и поршневого (б ) насосов:

/ - измеритель расхода; 2 - регулирующий клапан;3- регулятор;4 - насос

гулятор расхода может осуществлять П-закон регулирования. При наличии высокочастотных помех в сигнале расхода применение регуляторов с дифференциальными составляющими в законе регулирования без предварительного сглаживания сигнала может привести к неустойчивой работе системы. Поэтому в промышленных АСР расхода применение ПД- или ПИД-регулято-ров не рекомендуется.

В системах регулирования расхода применяют один из трех способов изменения расхода:

дросселирование потока вещества через регулирующий орган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, заслонка);

изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии (например, изменением числа оборотов двигателя насоса или угла поворота лопастей вентилятора);

байпасирование, т. е. переброс избытка вещества из основного трубопровода в обводную линию.

Регулирование расхода после центробежного насоса осуществляется регулирующим клапаном, устанавливаемым на нагнетательном трубопроводе (рис. 2.3, а ). 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). В этом случае для регулирования расхода используют байпасирование потока (рис. 2.3,б ).

Регулирование расхода сыпучих веществ осуществляется изменением степени открытия регулирующей заслонки на выходе из бункера (рис. 2.4, а ) или изменением скорости движения ленты транспортера (рис. 2.4,б ). Измерителем расхода при этом может служить взвешивающее устройство, которое определяет массу материала на ленте транспортера.

Регулирование соотношения расходов двух веществ можно осуществлять по одной из трех схем, описанных ниже.

1. При незаданной общей производительности расход одного вещества (рис. 2,5, a ) G 1 , называемый «ведущим», может меняться произвольно; второе вещество подается при постоянном соотношенииу с первым, так что «ведомый» расход равенyG 1 .

Рис. 2.4. Схемы регулирования расхода сыпучих веществ:

а - изменением степени открытия регулирующей заслонки; б - изменением скорости движения транспортера; / - бункер; 2 - транспортер;3 - регулятор;4 - регулирующая заслонка; 5 - электродвигатель

Иногда вместо регулятора соотношения используют реле соотношения и обычный регулятор для одной переменной (рис. 2.5,6). Выходной сигнал реле 6, устанавливающего заданный коэффициент соотношенияу, подается в виде задания регулятору 5, обеспечивающему поддержание «ведомого» расхода.

При заданном «ведущем» расходе кроме АСР соотношения применяют и АСР «ведущего» расхода (рис. 2.5,в). При такой схеме в случае изменения задания по расходу G \ автоматически изменится и расходG % (в заданном соотношении сGi ).

АСР соотношения расходов является внутренним контуром в каскадной системе регулирования третьего технологического параметра у (например, температуры в аппарате). При

Рис. 2.5. Схемы регулирования соотношения расходов:

а, б - при незаданной общей нагрузке;в - при заданной общей нагрузке;г - при заданной общей нагрузке и коррекции коэффициента соотношения по третьему параметру; ",2 - измерители расхода;3 - регулятор соотношения;4, 7 - регулирующие клапаны; 5 - регулятор расхода;6 - реле соотношения;8 - регулятор температуры;9 - устройство ограничения

этом заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в зависимости от этого параметра так что Gi = y { y ) G \ (рис. 2.5,г). Как отмечалось выше, особенность настройки каскадных АСР состоит в том, что на задание внутреннему регулятору устанавливают ограничение Хрн^Яр^Ярв. Для АСР соотношения расходов это соответствует ограничениюYh^y^Yb- Если выходной сигнал внешнего регулятора выходит за пределы [дг рн, х рв ], то задание регулятору соотношения остается на предельно допустимом значенииу (т. е.Yh или Yb)-Регулирование уровня. Уровень является косвенным показателем гидродинамического равновесия в аппарате. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального баланса, когда приток жидкости равен стоку, и скорость изменения уровня равна нулю. Следует отметить, что «приток» и «сток» здесь являются обобщенными понятиями. В простейшем случае, когда в аппарате не происходят фазовые превращения (сборники, промежуточные емкости, жидкофазные реакторы), приток равен расходу жидкости, подаваемой в аппарат, а сток - расходу жидкости, отводимой из аппарата. В более сложных процессах, сопровождающихся изменением фазового состояния веществ, уровень является характеристикой не только гидравлических, но и тепловых и массообменных процессов, а приток и сток учитывают фазовые превращения веществ. Такие процессы протекают в испарителях, конденсаторах, выпарных установках,ректификационных колоннах и т. п.

В общем случае изменение уровня описывается уравнением вида

(2.1)

где S- площадь горизонтального (свободного) сечения аппарата;G B x,

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

Рис. 2.6. Пример схемы позиционного регулирования уровня:

/ - насос; 2 - аппарат; 3 - сигнализатор уровня;4 - регулятор уровня;5,6 - регулирующие клапаны

1) позиционное регулирование, при котором уровень в аппарате поддерживается в заданных, достаточно широких пределах: L „^ L ^. L B . Такие системы регулирования устанавливают на сборниках жидкости или промежуточных емкостях

Рис. 2.7. Схемы непрерывного регулирования уровня:

а - регулирование «на притоке»;б - регулирование «на стоке»;в - каскадная АСР; / - регулятор уровня;2 - регулирующий клапан;3, 4 - измерители расхода; 5 - регулятор соотношения

(рис. 2.6). 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 °.

Особенно высокие требования предъявляются к точности регулирования уровня в теплообменных аппаратах, в которых уровень жидкости существенно влияет на тепловые процессы. Например, в паровых теплообменниках уровень конденсата определяет фактическую поверхность теплообмена. В таких АСР для регулирования уровня без статической погрешности применяют ПИ-регуляторы. П-регуляторы используют лишь в тех случаях, когда не требуется высокое качество регулирования и возмущения в системе не имеют постоянной составляющей, которая может привести к накоплению статической погрешности.

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. 2.7, а) ;

изменением расхода жидкости на выходе из аппарата (регулирование «на стоке», рис. 2.7,6);

регулированием соотношения расходов жидкости на входе в аппарат и выходе из него с коррекцией по уровню (каскадная АСР, рис. 2.7,в); отключение корректирующего контура может привести к накоплению ошибки при регулировании уровня, так как вследствие неизбежных погрешностей в настройке регулятора соотношения расходы жидкости на входе и выходе аппарата не будут точно равны друг другу и вследствие интегрирующих свойств объекта [см. уравнение (2.1)] уровень в аппарате будет непрерывно нарастать (или убывать).

В случае, когда гидродинамические процессы в аппарате сопровождаются фазовыми превращениями, можно регулировать уровень изменением подачи теплоносителя (или 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 конкрет-

Рис. 2.8. Схема регулирования уровня в испарителе:

1 - испаритель;2 - регулятор уровня;3 - регулирующий клапан

Рис. 2.9. Регулирование уровня кипящего слоя:

а - отводом зернистого материала; б - изменением расхода газа;1 - аппарат с кипящим слоем; 2 - регулятор уровня;3 - регулирующий орган

ном случае должен выполняться с учетом остальных контуров регулирования.

Особое место в системах регулирования уровня занимают АСР уровня в аппаратах с кипящим (псевдоожиженным) слоем зернистого материала. Устойчивое поддержание уровня кипящего слоя возможно в достаточно узких пределах соотношения расхода газа и массы слоя. При значительных колебаниях расхода газа (или расхода зернистого материала) наступает режим уноса слоя или его оседания. Поэтому к точности регулирования уровня кипящего слоя предъявляют особенно высокие требования. В качестве регулирующих воздействий используют расход зернистого материала на входе или выходе аппарата (рис. 2.9, а) или расход газа на ожижение слоя (рис. 2.9, б ).\

Регулирование давления. Давление является показателем соотношения расходов газовой фазы на входе в аппарат и выходе из него. Постоянство давления свидетельствует о соблюдении материального баланса по газовой фазе. Обычно давление (или разрежение) в технологической установке стабилизируют в каком-либо одном аппарате, а по всей системе оно устанавливается в соответствии с гидравлическим сопротивлением линии и аппаратов. Например, в многокорпусной выпарной установке (рис. 2.10) 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, для которого кривая фазового равновесия существенно зависит от давления. 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. 2.11).

Уравнение материального баланса аппарата по газовой фазе записывается в виде:

где V - объем аппарата; 0 В х и (Звых - расход газа соответственно подаваемого в аппарат и отводимого из него;G 0 e- масса газа, образующегося (или расходуемого)" в аппарате в единицу времени.

Как видно из сравнения уравнений (2.1) и (2.2), способы регулирования давления аналогичны способам регулирования уровня. В рассмотренных выше примерах АСР давления регулирующими воздействиями выбраны расход несконденсировав-шихся газов, отводимых из верхней части колонны (т. е. G Bb ix, рис. 2.11) и расход охлаждающей воды в барометрический конденсатор, который влияет на скорость конденсации вторичного пара (т. е. наG 0 6, рис. 2.10).

Особое 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. 2.12,а),аппараты с кипящим слоем (рис. 2.12,6) и др.

Регулирование температуры. Температура является показателем термодинамического состояния системы и используется как вы-

Рис. 2.10. Регулирование разрежения в многокорпусной выпарной установке:

1,2 - выпарные аппараты;3 - барометрический конденсатор;4 - регулятор разрежения;5 - регулирующий клапан

Рис. 2.11. АСР давления в ректификационной колонне:

/ - колонна; 2 - дефлегматор;3 - флегмовая емкость;4 - регулятор давления; 5 - регулирующий клапан

Рис. 2.12. Схема регулирования перепада давления: а - в колонном аппарате с насадкой; б - в аппарате с кипящим слоем; / - аппарат;2 - регулятор перепада давления;3 - регулирующий клапан

ходная координата при регулировании тепловых процессов. Динамические характеристики объектов в системах регулирования температуры зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата. Поэтому общие рекомендации по выбору АСР температуры сформулировать невозможно, и требуется анализ каждого конкретного процесса.

К общим особенностям АСР температуры можно отнести значительную инерционность тепловых процессов и промышленных датчиков температуры. Поэтому одна из основных задач при проектировании АСР температуры - уменьшение инерционности датчиков.

Рассмотрим, например, динамические характеристики термометра взащитном чехле (рис. 2.13, а). Структурную схему термометра можно представить как последовательное соединение четырех тепловых емкостей (рис. 2.13,6): защитного чехла 1, воздушной прослойки2, стенки термометра3 и собственно рабочей жидкости4. Если пренебречь тепловым сопротивлением каждого слоя, то все элементы можно аппроксимировать апериодическими звеньями 1-го порядка, уравнения которых имеют вид:

М/ - масса соответственно чехла, воздушной прослойки, стенки и жидкости;c P j - удельные теплоемкости; ал,а.ц - коэффициенты теплоотдачи; ^л.Гц - поверхности теплоотдачи.

Как видно из уравнений (2.3), основными направлениями уменьшения инерционности датчиков температуры являются:

повышение коэффициентов теплоотдачи от среды к чехлу в результате правильного выбора места установки датчика; при этом скорость движения среды должна быть максимальной; при прочих равных условиях более прдпочтительна установка термометров в жидкой фазе (по сравнению с газообразной), в конденсирующемся паре (по сравнению с конденсатом) и т. п.;

уменьшение теплового сопротивления и тепловой емкости защитного чехла в результате выбора его материала и толщины;

уменьшение постоянной времени воздушной прослойки за счет применения наполнителей (жидкость, металлическая стружка); у термоэлектрических преобразователей (термопар) рабочий спай припаивается к защитному чехлу;

выбор типа первичного преобразователя; например, при выборе термометра сопротивления, термопары или манометрического термометра необходимо учитывать, что наименьшей инерционностью обладает термопара в малоинерционном исполнении, наибольшей - манометрический термометр. Регулирование рН. Системы регулирования рН можно подразделить на два типа, в зависимости от требуемой точности регулирования. Если скорость изменения рН невелика, а допустимые пределы ее колебаний достаточно широки, применяют позиционные системы регулирования, поддерживающие рН в заданных пределах: pH H sgpH

Общей особенностью объектов при регулировании рН является нелинейность их статических характеристик, связанная с нелинейной зависимостью рН от расходов реагентов . На рис. 2.14 показана кривая титрования, характеризующая за-

Рис. 2.13. Принципиальная (а) и структурная (б) схемы термометра:1 - защитный чехол;2 - воздушная прослойка; 3 -стенка термометра;4 - рабочая жидкость

Рис. 2.14. Зависимость величины рН от расхода реагента

висимость рН от расхода кислоты G \. Для различных заданных значений рН на этой кривой можно выделить три характерных участка: первый (средний), относящийся к почти нейтральным средам, близок к линейному и характеризуется очень большим коэффициентом усиления; второй и третий участки, относящиеся к сильно щелочным или кислым средам, обладают наибольшей кривизной.

На первом участке объект по своей статической характеристике приближается к релейному элементу. Практически это означает, что при расчете линейной АСР коэффициент усиления регулятора настолько мал, что выходит за пределы рабочих настроек промышленных регуляторов. Так как собственно реакция нейтрализации проходит практически мгновенно, динамические характеристики аппаратов определяются процессом смешения и в аппаратах с перемешивающими устройствами достаточно точно описываются дифференциальными уравнениями 1-го порядка с запаздыванием. При этом чем меньше постоянная времени аппарата, тем сложнее обеспечить устойчивое регулирование процесса, так как начинают сказываться инерционность приборов и регулятора и запаздывание в импульсных линиях.

Для обеспечения устойчивого регулирования рН применяют специальные системы. На рис. 2.15, а показан пример системы регулирования рН с двумя регулирующими клапанами. Клапан1, обладающий большим условным диаметром, служит для грубого регулирования расхода и настроен на максимальный диапазон изменения выходного сигнала регулятора[х рн , х рв ] (рис. 2.15,6, кривая /). Клапан2, служащий для точного регулирования, рассчитан на меньшую пропускную способность и настроен таким образом, что прих р =х р °+<А он полностью открыт, а приx p = x v ° -А - полностью закрыт (кривая 2). Таким

Рис. 2.15. Пример системы регулирования рН:

а - функциональная схема; б - статические характеристики клапанов;1, 2 - регулирующий клапан;3 - регулятор рН

Рис. 2.16. Кусочно-линейная аппроксимация статической характеристики объекта при регулировании рН.

Рис. 2.17. Структурная схема системы регулирования рН с двумя регуляторами

образом, при незначительном отклонении рН от рН°, когда Хр° -Л^АГр^лгр 0 +)А, степень открытия клапана / практически не изменяется, и регулирование ведется клапаном2. Если\х р -х р °| >Л, клапан2 остается в крайнем положении, и регулирование осуществляется клапаном /.

На втором и третьем участках статической характеристики (рис. 2.14) ее линейная аппроксимация справедлива лишь в очень узком диапазоне изменения рН, и в реальных условиях ошибка регулирования за счет линеаризации может оказаться недопустимо большой. В этом случае более точные результаты дает кусочно-линейна» аппроксимация (рис. 2.16), при которой линеаризованный объект имеет переменный коэффициент усиления:

Да рис. 2.17 приведена структурная схема такой АСР. В зависимости от рассогласования ЛрН, включается в работу один из регуляторов, настроенный на соответствующий коэффициент усиления объекта.

Регулирование параметров состава и качества. В процессах химической технологии большую роль играет точное поддержание качественных параметров продуктов (состава газовой смеси, концентрации того или иного вещества в потоке и т. п.). Эти параметры характеризуются сложностью измерения. В ряде случаев для измерения состава используют хроматографический 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 или иной степени механизированный анализ проб.

Рис. 2.18. Блок-схема АСР параметра качества продукта:

1 - объект;2 - анализатор качества;3 - вычислительное устройство;4 - регулятор

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 (алгоритмы такого уточнения изложены в разд. 5.8). 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. Вычислительное устройство в общем случае непрерывно рассчитывает оценку показателя качества x (t ) по формуле

в которой первое слагаемое отражает зависимость х от непрерывно измеряемых переменных процесса или величин, динамически с ними связанных, например производных, а второе - от выхода экстраполирующего фильтра.

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.

На универсальных станках контроль параметров технологического процесса и станка осуществляется станочником. Он же принимает решения по перестройке оборудования, остановке оборудования, подачи СОЖ и т.п. Поддержание параметров работы оборудования ГПМ (гибкого поизводственного модуля) или автоматической линии осуществляется системой управления (рис. 12.1), которая включает в себя средства контроля и диагностирования, что позволяет при использовании ГПМ отказываться от персонала, непосредственно занятого в технологическом процессе. В системе управления ГПМ используются два источника информации: программа контроля за отклонениями от нормазьного функционирования ГПМ и сведения, поступающие от диагностических устройств, например датчиков обратной связи, измеряющих параметры движения (скорость, координаты) рабочих органов станка и его вспомогательных механизмов или устройств автоматизации.

Рис. 12.1.

Дополнительные средства, предназначенные для выполнения функций оператора, объединены в систему, которая включает в себя контрольно-измерительные и диагностические устройства и приборы (с датчиками для определения величины контролируемых параметров), устройства сбора и первоначальной обработки информации и принятия решений.

В случае замены оператора система должна: следить за работой механизмов ГПМ, ходом рабочего технологического процесса, качеством готовой продукции, выявлять отклонения от нормального

функционирования ГПМ, в том числе такие, которые еще не привели к сбоям и отказам, но в дальнейшем могут стать их причиной; фиксировать сбои и отказы; формировать решения, необходимые для автоматического продолжения работы ГПМ после временной остановки по той или иной причине; при необходимости прерывать работу ГПМ, вызывать наладчика и сообщать ему сведения о причине отклонения от нормального функционирования.

Система поддержания работоспособности станка состоит из нескольких подсистем, работающих совместно или автономно в зависимости от конструктивных решений или условий производства. К ним относятся подсистема контроля за состоянием режущего инструмента, подсистема контроля качества, подсистема контроля за функционированием механизмов станка и подсистема диагностирования механизмов.

Устройства подсистемы контроля за состоянием режущего инструмента могут осуществлять периодический или текущий контроль (рис. 12.2, 12.3). Периодическому контролю подвергается мелкий осевой инструмент (сверла, метчики, концевые фрезы диаметром до 6-8 мм), а также другой инструмент, если текущий контроль его состояния невозможен или нецелесообразен. Для реализации этой процедуры должна быть дана команда на остановку станка.

Контрольное устройство может располагаться в рабочей зоне станка, на узле, несущем инструмент, в инструментальном магазине. Метод измерения обычно прямой, с помощью индуктивных, электромеханических или фотоэлектрических датчиков. На рис. 12.2 приведена схема контроля состояния инструмента 2 на многоцелевом станке 6. После обработки заготовки 1 и отвода инструмента со сверлом входит в контакт щуп 3. При поломке инструмента положение щупа изменяется, в результате чего рычаг 4 поворачивается и перестает воздействовать на электроконтактный датчик (конечный выключатель) 5. По сигналу последнего система управления дает команду на прекращение обработки и замену инструмента дублером или вызов наладчика. В качестве датчика может быть использован датчик типа БВК или датчик Холла, что значительно повышает срок его службы и безотказность работы.

Для контроля состояния режущего инструмента на токарном станке используют метод измерения координаты вершины резца. После

очередного прохода резец перемещается в положение контроля, и в том случае, если отсутствует электрический контакт между вершиной резца и специальной контактной пластиной, подается сигнал на прерывание технологического процесса обработки, с последующей заменой инструмента или вызовом наладчика.

головка; 3- инструмент; 4 -шпиндель станка

Рис. 12.2. Схема контроля режущего инструмента на многоцелевом станке

Рис. 12.3. Размещение измерительной головки на многоцелевом станке: 1 -стол; 2- измерительная

Для контроля инструмента, находящегося в магазине многоцелевого станка, используются телевизионные камеры, выполненные на основе ПЗС матриц, что при удовлетворительном качестве изображения позволяет значительно снизить себестоимость оборудования. Изображение инструмента проецируется на экран, а электронная система последовательно «считывает» изображение и передает в память компьютера. Ввиду низкого качества изображения для его восстановления используются специальные математические методы . Для выявления поломки эталонное изображение, записанное в память компьютера после установки нового инструмента, сравнивается с изображением того же инструмента, но уже работавшего. Времени, необходимого для передачи изображения в память компьютера, достаточно мало, что позволяет проводить измерение без остановки. Независимо от типоразмера инструмента, телекамера всегда находится в одном положении.

Периодический- контроль осуществляется и при необходимости ввода коррекции в управляющую программу в случае замены изношенного или сломанного инструмента дублером. Для этого посредством измерительной головки с датчиком касания на токарных

станках измеряют вылет резцов, на многоцелевых (см. рис. 12.3) - длину и диаметр инструмента.

Измерительная головка занимает определенное положение в рабочей зоне станка: на столе многоцелевого или на передней бабке токарного станка. Такие измерения позволяют осуществлять «привязку» инструмента к системе координат станка, получать информацию о наличии инструмента в шпинделе, контролировать его износ и целостность.

Текущему контролю состояния подвергают осевой инструмент диаметром более 8... 12 мм, а также резцы и фрезы различного вида. Контроль осуществляется в процессе резания; его цель - предупреждение аварийных ситуаций, возникающих при внезапной поломке инструмента. Метод текущего контроля - главным образом косвенный (по крутящему моменту, величине тока двигателя привода главного движения, нагрузке, ускорению и т.д.).

Так, при затуплении инструмента возрастает сила резания, а следовательно, нагрузка (крутящий момент) на двигатель и ток, протекающий через его обмотки. Чувствительность датчика крутящего момента, работающего по такому принципу, зависит от типа двигателя, его мощности и величины передаточного отношения кинематической цепи между двигателем и шпиндельным узлом. Перед началом каждого цикла резания должна измеряться и запоминаться нагрузка холостого хода.

Измерение осевой нагрузки на ходовом винте станка с помощью тензометрического датчика, встроенного в опору винта, позволяет следить за износом инструмента, а также за изменением режима его функционирования в процессе обработки партии заготовок (например, на токарном станке фиксируется изменение 0,2...0,3 мм). Сигнал такого датчика практически свободен от помех. Датчик малоинерционный, т.е. может регистрировать быстропеременные нагрузки, вызванные, например, неравномерным вращением ходового винта в пределах одного оборота.

Для измерения нагрузки, испытываемой револьверными головками, шпиндельными коробками и шпиндельными узлами, в них встраивают тензодатчики, выполненные в виде тензоподшипников. Вращение каждого шарика подшипника под соответствующей нагрузкой вызывает местную деформацию наружного кольца, воспринимаемую тензорезисторами, размещенными в канавке на наружной поверхности кольца. При обработке выходного сигнала датчика следует учитывать его пульсацию, частота которой напрямую связана с частотой вращения шпинделя.

Для измерения нагрузки, действующей на различные узлы, широко используют накладные пьезодатчики (рис. 12.4). Их чувствительность выше, чем у терморезисторов, а полоса пропускания позволяет фиксировать достаточно быстрые изменения нагрузки, действующей на инструмент.

Конструктивные решения, реализуемые при использовании таких датчиков, различны. Например, их встраивают в плиту, подкладываемую

Рис. 12.4. Пьезодатчики для измерения силы резания: а

принципиальная схема измерения; б - ее конструктивная реализация; (1 -упругий элемент; 2 - пьезодатчик; 3 -деталь станка; 4 - контактные поверхности, / - измерительная база датчика; Р, - сила растяжения-сжатия;

Р , - сила прижима

под револьверную головку токарного станка. Для создания

предварительного натяга пьезодатчик должен выступать над поверхностью на 10... 15 мкм.

Износ инструмента можно определять по величине ускорения упругой волны, которая

распространяется от зоны резания к месту установки датчика

(1акселерометра ), фиксирующего

виброакустическую эмиссию. Если инструмент вращается, датчик

устанавливают на столе станка; если

инструмент неподвижен, а вращается заготовка - на резцедержателе или на корпусе револьверной головки. При использовании таких датчиков необходимо для инструментов

каждого вида предварительно определять диапазон частот, в

котором в наиоольшеи степени проявляется связь параметров

виброакустической эмиссии с износом или поломкой инструмента. Следует максимально уменьшать число стыков между заготовкой (или инструментом) и датчиком, так как они оказывают деформирующее действие (ослабляют вибрации), что затрудняет измерения.

Время работы инструмента измеряют таймером, время врезания и резания - датчиком силы или ускорения (фиксируются моменты начала и конца процесса резания), величину составляющих сил резания -датчиками давления в гидростатических подшипниках шпинделя или магнитоупругими датчиками, измеряющими крутящий момент резания, ЭДС - милливольтметром, электрическое сопротивление контакта заготовки с инструментом - омметром.

Следует учитывать, что надежность автоматического контроля состояния режущего инструмента относительно невелика. Причинами могут быть микротрещины в режущей части, неоднородность и местные колебания твердости как обрабатываемого, так и инструментального материала и другие факторы, не поддающиеся определению автоматическими средствами. Поэтому рекомендуется двойной контроль ресурса стойкости инструмента для его своевременной замены и реального состояния инструмента по одному из косвенных параметров (текущий контроль).

При проектировании оборудования датчики, используемые для контроля инструмента, не разрабатывают. Конструктор выбирает серийно выпускаемый или заказывает специальный датчик, характеристики которого соответствуют поставленной задаче, и встраивает его в соответствующую зону станка.

Различные устройства, применяемые в подсистеме контроля состояния режущего инструмента, описаны в литературе . Одним из таких устройств является система Monitor, используемая в ГПМ. Система мониторинга с индикатором контакта (см. рис. 12.5) базируется на информации, поступающей от привода подачи станка и датчиков, регистрирующих перемещение стола и шпиндельного узла. В Monitor вводятся три массива данных: 1) константы, определяющие настройку устройства на конкретном станке, вид контроля и уровень сигнала от датчика (например, тока); 2) анкеты инструмента, содержащие постоянные данные о характеристиках конкретных инструментов; 3) программу контроля, составляемую для каждой обрабатываемой заготовки. Данные вводят с помощью клавиатуры; для отображения информации служит экран дисплея или цифровое табло.

Рис. 12.5. Схема мониторинга с индикатором контакта: 1 - индикатор контакта; 2 - заготовка (деталь); 3 - пульт управления; 4 - устройство ввода информации; 5 - терминалы; 6 - головной компьютер управления; 7 -

счетчик; 8 - импульсные линейки

К устройствам подсистемы контроля качества (рис. 12.6) относятся приборы активного контроля (ПАК), применяемые в условиях массового и крупносерийного производства, и датчики касания, используемые в условиях серийного производства.

При необходимости автоматического контроля размеров, формы и точности установки заготовки и (или) обработанной детали на разных

Рис. 12.6. Типовые схемы управления точностью обработки при использовании ПАК (о) и автоподналадки (6)

стадиях обработки используют ПАК, которые могут быть расположены как в рабочей зоне станка (рис. 12.6, а), так и с автоматическим цикловым управлением. При этом в системе управления станка организованы два потока информации. Первый обеспечивает процесс обработки по заданной программе, второй используется для корректировки уровня настройки. Оператор также участвует в управлении процессом обработки, его задачей является корректировка уровня настройки станков и средств активного контроля. Во втором потоке информации имеются два контура управления: контур / относится к системе автоматического регулирования посредством ПАК или автоподналадчика (рис.

12.6, б), контур II - к системе ручной корректировки процесса обработки с использованием обычного измерительного

прибора. На схемах условно обозначены: ТО - технологическая операция; ИО - исполнительный орган станка; МП -механизм подналадки станка; А

• - автоподналадчик; Э - эталон; ИП - измерительный прибор; Оп
• - оператор.

ля шероховатости обработанной

Для размерного контроля заготовки и (или) детали (а в отдельных случаях для контро-поверхности) на станках с ЧПУ и ГПМ служат измерительные головки (ИГ) (иногда

называемые индикаторами контакта). ИГ (рис. 12.7), состоящая из щупа в комплекте с электронным блоком и устройством беспроводной передачи сигналов (обычно на ИК - лучах), располагается в инструментальном магазине, откуда манипулятор перемещает ее в шпиндель (на сверлильно-фрезерно-расточных станках) или револьверную головку (на токарных станках).

Рис. 12.7. Измерительная головка: 1- наконечник щупа; 2 - щуп; 3 -

передаточный механизм; 4 - механизм уравновешивания щупа; 5 - электрический контакт; 6 - блок-формирователь сигнала касания; 7 - сигнал, направленный в электронный блок или к передатчику

При относительном перемещении наконечника щупа и контролируемой поверхности происходит их касание. Щуп отклоняется от исходного положения,

размыкается электрический контакт внутри ИГ, и сигнал касания, формируемый

специальной схемой, поступает через электронный блок в УЧПУ, где полученные данные сравниваются с заданными значениями соответствующего параметра.

Аналогичные ИГ служат для контроля припусков и базирования заготовки, для промежуточного контроля заготовок на станке в процессе обработки и выходного контроля обработанной детали на станке. При этом с целью определения расстояния между двумя плоскостями измеряют координаты трех точек на каждой из них и вычисляют их разность. Для определения положения центра отверстия измеряют координаты трех точек в радиальном сечении и затем рассчитывают координаты центра окружности, проходящей через эти три точки (все указанные процедуры осуществляются автоматически.

При конструировании обрабатывающего оборудования ПАК и ИГ обычно не проектируют; их разработкой занимаются специальные проектные организации. Конструктор-разработчик оборудования встраивает серийно выпускаемый или специальный прибор в оборудование. Однако он должен позаботиться о разработке алгоритмов совместного функционирования станка и устройства контроля (измерение, расчеты, рекомендации принятия решений).

Стабильность процесса обработки на современных станках с программным управлением позволяет не встраивать в них измерительные устройства, а использовать установленную в цехе координатную измерительную машину (КИМ) для периодического контроля качества обработки. В этом случае оператор станка или наладчик устанавливает обработанную деталь на КИМ, измеряет контролируемые параметры и в зависимости от полученных результатов направляет деталь на дополнительную обработку или последующую технологическую операцию, а при необходимости производит подналадку станка.

Подсистема контроля за функционированием механизмов станка (рис. 12.8) включает в себя ряд измерительных устройств, фиксирующих отклонения от нормы (например, перегрев движения главного привода фиксируется термодатчиком). На выходе этих устройств формируются

Рис. 12.8. Структура подсистемы контроля за функционированием механизмов; ИУ, ИУ 2 ... ИУ„ -измерительные устройства; Д -датчик; ПОС - первичная обработка сигнала; УСО -устройство сбора и обработки информации; УПР - устройство принятия решений; УРР -устройство реализации решений

нормированные сигналы, которые поступают в устройство сбора и обработки информации, откуда передаются в устройство принятия решений. Здесь с учетом дополнительной информации принимается определенное решение, реализуемое в дальнейшем в виде соответствующих команд.

По своей структуре микропроцессорные устройства идентичны современным УЧПУ и отличаются от них только составом модулей для связи с внешним устройством, наличием датчиков обратной связи и измерительных устройств.

Подсистема диагностирования состояния механизмов должна обеспечивать функционирование станка с минимальным участием оператора. Существуют устройства для диагностирования гидроприводов станков, подшипников качения, редукторов, коробок подач и других аналогичных устройств.

Контроль и компенсация типовых деформационных узлов станка позволяют обеспечивать точность обработки при длительном функционировании. Так, из-за нагрева шпиндельный узел смещается, что приводит к снижению точности обработки. Компенсация в данном случае базируется на периодическом измерении фактических смещений деталей узла в пространстве. С помощью ИГ, установленной на шпинделе станка, измеряют положение эталонной поверхности на его столе или с помощью ИГ для контроля инструмента, установленной на столе станка, измеряют положение эталонной оправки в шпинделе. Разность результатов последовательных измерений определяет смещение шпинделя за соответствующий промежуток времени. Ввод этой величины в память УЧПУ позволяет корректировать перемещения, заданные в управляющей программе, и тем самым компенсировать влияние тепловых деформаций.

Подобные диагностические системы проектирует конструктор станка, обычно из серийно выпускаемых или специальных элементов, хотя в отдельных случаях необходимо разрабатывать специальные диагностические устройства. В качестве подобных устройств часто используются сильфонные мебранные реле.

Несмотря не огромное разнообразие технологических процессов химической промышленности, все они состоят из отдельных технологических операций, каждую из которых можно, как сказано выше, отнести к одной из следующих групп типовых процессов: механические, гидродинамические, тепловые, массообменные, химические (реакторные), термодинамические. В основе процессов каждой группы лежат общие физико-химические закономерности, что предопределяет значительное сходство их свойств как объектов автоматизаци.

Благодаря этому оказывается возможной разработка типовых схем автоматизации для объектов каждой группы. Однако, одного технологического признака недостаточно для типизации объектов автоматизации, т.к. процессы одной группы могут иметь различное аппаратурное оформление (например, сушка в барабанной сушилке или в сушилке с кипящим слоем) и, как объекты автоматизации, существенно различаться по своим свойствам. Следовательно, только сочетание двух признаков - типа технологического процесса и типа аппарата, в котором этот процесс осуществляется, полностью определяет типовой объект автоматического регулирования в химическом производстве.

Для каждого типового объекта можно разработать один или несколько вариантов систем автоматизации.

АСР расхода . Чаще всего возникает задача регулирования расхода газа, жидкости или пара, транспортируемого по трубопроводу. Регулирование расхода в такой системе производится путем дросселирования потока, которое зависит от степени открытия регулирующего клапана (см. рисунок 7.2):

Рисунок 7.2 - Простейшая АСР расхода

Объектом регулирования фактически является участок трубопровода между датчиком расхода и регулирующим клапаном, который можно считать безынерционным усилительным звеном. Следовательно, динамическая характеристика заданной части АСР определяется только динамическими свойствами датчика расхода и регулирующего органа. Для поддержания заданной величины расхода без остаточного отклонения в АСР расхода обычно применяются ПИ-регуляторы.

В системах регулирования расхода применяют один из трех способов изменения расхода:

- дросселирование потока вещества через регулирующий орган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, заслонка);

Изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии (например, изменением числа оборотов двигателя насоса или угла поворота лопастей вентилятора);

- байпасирование , т е. перерос избытка вещества из основного трубопровода в обводную линию.

Регулирование расхода после центробежного насоса осуществляется регулирующим клапаном, устанавливаемым на нагнетательном трубопроводе (рисунок 7.3, а). При использовании поршневого насоса, 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). В этом случае для регулирования расхода используют байпасирование потока (Рисунок 7.3, б).

1 - измеритель расхода; 2 - регулирующий клапан; 3 - регулятор; 4 - насос.

Рисунок 7.3 - Схемы регулирования расхода после центробежного (а) и поршневого (б) насосов.

Регулирование расхода методом дросселирования потока в байпасном трубопроводе. При использовании поршневых насосов регулирующие органы нельзя устанавливать на напорном трубопроводе, т.к. изменение степени открытия такого органа приводит лишь к изменению давления в нагнетательной линии, расход же остается постоянным. Полное закрытие регулирующего органа может привести к поломке насоса. В таком случае регулирующий орган устанавливается на байпасной линии, соединяющей всасывающий и нагнетательный трубопроводы (рисунок 7.3, 6).

Недостатком данного способа регулирования является низкая экономичность. Более экономичным является метод регулирования изменением показателей работы насоса: числа оборотов вала, хода поршня, угла наклона лопастей.

Число оборотов вала можно изменить:

1. Переключением обмотки статора на различное число пар полюсов,

2. Введением реостата в цепь ротора двигателя,

3. Изменением частоты питающего тока,

4. Применяя регулируемые муфты скольжения между насосом и асинхронным двигателем.

Регулирование расхода сыпучих веществ осуществляется изменением степени открытия регулирующей заслонки на выходе из бункера (рис 7.4, а), либо изменением скорости движения ленты транспортера. Измерителем расхода при таком варианте служит взвешивающее устройство, которое определяет массу материала на ленте транспортера (рис 7.4, б).

1 - бункер. 2 - транспортер; 3 - регулятор; 4 - регулирующая заслонка; 5 - электродвигатель

Рисунок 7.4. Схемы регулирования расходов сыпучих веществ:

Регулирование соотношения расходов двух веществ можно осуществлять тремя спосо-бами:

При незаданной общей производительности расход одного вещества (рисунок 7.5, а) G1, называемый «ведущим», может меняться произвольно; второе вещество подается при постоянном соотношении γ с первым, так что «ведомый» расход равен JG1. Иногда вместо регулятора соотношения используют реле соотношения и обычный регулятор для одной переменной (рисунок 7.5, б). Выходной сигнал реле 6, устанавливающего задан-ный коэффициент соотношения γ, подается в виде задания регулятору 5, обеспечиваю-щему поддержание «ведомого» расхода.

При заданном «ведущем» расходе кроме АСР соотношения применяют и АСР «веду-щего» расхода (рисунок 7.5, в). При такой схеме в случае изменения задания по расходу G1 автоматически изменится и расход G2 (в заданном соотношении с G1).

При заданной общей нагрузке и коррекции коэффициента по третьему параметру. АСР соотношения расходов является внутренним контуром в каскадной системе регулиро-вания третьего технологического параметра (например, температуры в аппарате). При этом заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в за-висимости от этого параметра, так что G2 = JfyJG1 (рисунок 7.5, г). Особенность настройки каскадных АСР состоит в том, что на задание внутреннему регулятору устанавливают ограничение хрн < хр < хрв. Для АСР соотношения расходов это соответствует ограниче-нию ун < γ < ув. Если выходной сигнал внешнего регулятора выходит за пределы [хрн,хрв], то задание регулятору соотношения остается на предельно допустимом значе-нии γ (т. е. Ji1 или J6).

1, 2 - измерители расхода, 3 - регулятор соотношения, 4, 7 - регулирующие клапаны; 5 - регулятор расхода, 6 - реле соотношения, 8 - регулятор температуры, 9 - устройство ограничения.

Рисунок 7.5. Схемы регулирования соотношения расходов.

Смешение жидкостей. При разработке типового решения под объектом управления будем понимать емкость с механической мешалкой, в которой смешиваются две жидкости. Цель управления - получение жидкости (смеси) с определенной концентрацией какого-либо компонента. Расходы жидкостей А и Б и их концентрации могут изменяться при нарушении технологического режима предыдущих процессов. Расход смеси определяется последующим технологическим процессом.

Требуется при проведении процесса смешения:

1. Поддерживать материальный баланс смесителя,т.е. F А + F Б = F смеси.

2. Поддерживать постоянной концентрацию смеси, т.е Q смеси = const.

Для поддержания материального баланса следует в качестве регулируемой величины выбрать уровень смеси в баке. Постоянство уровня достигается изменением расхода F Б. Постоянство концентрации Q смеси может быть при этом обеспечено изменением расхода F А (рисунок 7.6)

Рисунок 7.6 - Пример АСР уровня

Если расход жидкости Б сильно изменяется при регулировании уровня, для улучшения качества регулирования концентрации следует использовать регулятор соотношения расходов жидкостей с коррекцией по концентрации. Этот регулятор способствует уменьшению возмущений по концентрации, поступающих при первоначальном изменении расхода жидкости. При поступлении других возмущающих воздействий, например, с изменением концентрации компонентов в жидкостях, изменится задание соотношения расходов (рисунок 7.7).

Рисунок 7.7 - Пример АСР соотношения уровней

Регулирование процесса перемешивания в трубопроводе. Если процесс перемешивания производится непосредственно в трубопроводе, то отпадает необходимость в узле стабилизации уровня, достаточно установить регулятор концентрации компонента в смеси или регулятор соотношения расходов (с коррекцией или без коррекции, рисунок 7.8).

Рисунок 7.8 - Регулирование процесса перемешивания в трубопроводе

АСР уровня . Уровень является косвенным показателем гидродинамического равновесия в аппарате. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального баланса, когда приток жидкости равен стоку, и скорость изменения уровня равна нулю.

В общем случае изменение уровня описывается уравнением вида:

где S - площадь горизонтального (свободного) сечения аппарата; G ex , G eыx - расходы жидкости на входе в аппарат и выходе из него; G o6 - количество жидкости, образующейся (или расходуемой) в аппарате в единицу времени. В зависимости от требуемой точности поддержания уровня применяют один из следующих двух способов регулирования:

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

Позиционное регулирование, при котором уровень в аппарате поддерживается в заданных, достаточно широких пределах: Lfs < L < L^ Такие системы регулирования устанавливают на сборниках жидкости или промежуточных емкостях (рисунок 7.9). При достижении предельного значения уровня происходит автоматическое переключение потока на запасную емкость;

Непрерывное регулирование, при котором обеспечивается стабилизация уровня на заданном значении, т. е. L = L .

1 - насос; 2 - аппарат; 3 - сигнализатор уровня; 4 - регулятор уровня; 5,6 - регулирующие клапаны.

Рисунок 7.9 - Схема позиционного регулирования уровня

Особенно высокие требования предъявляются к точности регулирования уровня в теплообменных аппаратах, в которых уровень жидкости существенно влияет на тепловые процессы. Например, в паровых теплообменниках уровень конденсата определяет фактическую поверхность теплообмена. В таких АСР для регулирования уровня без статической погрешности применяют ПИ-регуляторы . П-регуляторы используют лишь в тех случаях, когда не требуется высокое качество регулирования и возмущения в системе не имеют постоянной составляющей, которая может привести к накоплению статической погрешности.

При отсутствии фазовых превращений в аппарате уровень в нем регулируют одним из трех способов:

Изменением расхода жидкости на входе в аппарат (регулирование «на притоке», рисунок 7.10, а);

Изменением расхода жидкости на выходе из аппарата (регулирование «на стоке», рисунок 7.10, б);

Регулированием соотношения расходов жидкости на входе в аппарат и выходе из него с коррекцией по уровню (каскадная АСР, Рисунок 7.10, в); отключение корректирующего контура может привести к накоплению ошибки при регулировании уровня, так как вследствие неизбежных погрешностей в настройке регулятора соотношения расходы жидкости на входе и выходе аппарата не будут точно равны друг другу, и вследствие интегрирующих свойств объекта, уровень в аппарате будет непрерывно нарастать (или убывать).

а - регулирование «на притоке»; б - регулирование «на стоке», в - каскадная АСР (1 - регулятор уровня, 2 - регули-рующий клапан, 3, 4 - измерители расхода, 5 - регулятор соотношения).

Рисунок 7.10 - Схемы непрерывного регулирования уровня:

1 - испаритель; 2 - регулятор уров-ня, 3 - регулирующий клапан

Рисунок 7.11 - Схема регулирова-ния уровня в испарителе

В случае, когда гидродинамические процессы в аппарате сопровождаются фазовыми превращениями, можно регулировать уровень изменением подачи теплоносителя (или хладагента). В таких аппаратах уровень взаимосвязан с другими параметрами (например, давлением), поэтому выбор способа регулирования уровня в каждом конкретном случае должен выполняться с учетом остальных контуров регулирования. Особое место в системах регулирования уровня занимают АСР уровня в аппаратах с кипящим (псевдосжиженным) слоем зернистого материала (рисунок 7.12).

Устойчивое поддержание уровня кипящего слоя возможно в достаточно узких пределах соотношения расхода газа и массы слоя. При значительных колебаниях расхода газа (или расхода зернистого материала) наступает режим уноса слоя или его оседания. Поэтому к точности регулирования уровня кипящего слоя предъявляют особо высокие требования. В качестве регулирующих воздействий используют расход зернистого материала на входе или выходе аппарата (рисунок 7.12, а) или расход газа на ожижение слоя (рисунок 7.12, б).

а - отводом зернистого материала, 6 - изменением расхода газа (1 - аппарат с кипящим слоем, 2 - регулятор уровня, 3 - регулирующий орган).

Рисунок 7.12 - Регулирование уровня кипящего слоя:

АСР давления. Давление является показателем соотношения расходов газовой фазы на входе в аппарат и выходе из него. Постоянство давления свидетельствует о соблюдении материального балан-са по газовой фазе. Обычно давление (или разрежение) в технологической установке стабили-зируют в каком-либо одном аппарате, а по всей системе оно устанавливается в соответствии с гидравлическим сопротивлением линии и аппаратов. Например, в многокорпусной выпарной установке (см. рисунок 7.13, а) стабилизируют разрежение в последнем выпарном аппарате. В ос-тальных аппаратах при отсутствии возмущений устанавливается разрежение, которое опреде-ляется из условий материального и теплового балансов с учетом гидравлического сопротив-ления технологической линии.

В тех случаях, когда давление существенно влияет на кинетику процесса (например, в процессе ректификации), предусматривается система стабилизации давления в отдельных ап-паратах (рисунок 7.13, б). 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 рек-тификационных колоннах обычно предусматривают специальные системы стабилизации дав-ления.

1 ,2 - выпарные аппараты; 3 - барометрический конденсатор; 4 - регулятор разрежения;

5 - регулирующий клапан.

Рисунок 7.13а - Регулирование разряжения в многокорпусной выпарной установке

1 - колонна; 2 - дефлегматор; 3 - флегмовая ёмкость; 4 - регулятор давления;

5 - регулирующий клапан

Рисунок 7.13Б - АСР давления в ректификационной колонне

Регулирование разряже-ния в многокорпусной выпарной установке. В данной систе-ме регулирующим воздействием является расход охлаждающей воды в барометрический конден-сатор, который влияет на ско-рость конденсации вторичного пара.

Регулирования перепада давления. В таких аппаратах ре-гулируется перепад давления, характеризующий гидродинамический режим, который влияет на протекание процесса (рисунок 7.14).

а - в колонном аппарате с насадкой; б - в аппарате с кипящем слоем (1 - аппарат; 2 - регулятор перепада давления; 3 - регулирующий клапан).

Рисунок 7.14 - Схема регулирования перепада давления

В целом АСР давления жидкости, газа или пара, транспортируемого по трубопроводу имеет много общего с АСР расхода, т.к. объекты регулирования обладают одинаковыми свойствами. Иногда для регулирования давления в трубопроводах пара или сжатого воздуха применяют П-регуляторы прямого действия.

При отсутствии резких и значительных по амплитуде возмущений они обеспечивают хорошее качество регулирования благодаря минимальной инерционности контура регулирования.

АСР Регулирование температуры. Температура является показателем термодинамического состояния системы и исполь-зуется как выходная координата при регулировании тепловых процессов. Динамические ха-рактеристики объектов в системах регулирования температуры зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата. Поэтому общие рекомендации по выбору АСР температуры сформулировать невозможно, и требуется анализ каждого конкретного процесса.

К общим особенностям АСР температуры можно отнести значительную инерционность тепловых процессов и промышленных датчиков температуры. Поэтому одна из основных за-дач при проектировании АСР температуры - уменьшение инерционности датчиков.

Рассмотрим, например, динамические характеристики термометра в защитном чехле (рисунок 7.15).

1 - защитный чехол; 2 - воздушная прослойка; 3 - стенка термометра; 4 - рабочая жидкость.

Рисунок 7.15. Принципиальная (а) и структурная (б) схемы термометра

Структурную схему термометра можно представить как последовательное соединение четы-рех тепловых емкостей (рисунок 7.15, б): защитного чехла 1, воздушной прослойки 2, стенки тер-мометра 3 и собственно рабочей жидкости 4. Если пренебречь тепловым сопротивлением ка-ждого слоя, то все элементы можно аппроксимировать апериодическими звеньями 1-го поряд-ка, уравнения которых имеют вид:

M j - масса соответственно чехла, воздушной прослойки, стенки и жидкости; c pj - удельные теплоемкости; α j1 , α j2 - коэффициенты теплоотдачи; Fj1, Fj2 - поверхности теплоотдачи.

Как видно из последнего уравнений, основными направлениями уменьшения инерционности датчиков температуры являются:

Повышение коэффициентов теплоотдачи от среды к чехлу в результате правильного выбора места установки датчика; при этом скорость движения среды должна быть максимальной; при прочих равных условиях более предпочтительна установка термометров в жидкой фазе (по сравнению с газообразной), в конденсирующемся паре (по сравнению с конденсатом) и т. п.;

Уменьшение теплового сопротивления и тепловой емкости защитного чехла в результате выбора его материала и толщины;

Уменьшение постоянной времени воздушной прослойки за счет применения наполнителей (жидкость, металлическая стружка); у термоэлектрических преобразователей (термопар) рабочий спай припаивается к защитному чехлу;

Выбор типа первичного преобразователя; например, при выборе термометра сопротивления, термопары или манометрического термометра необходимо учитывать, что наименьшей инерционностью обладает термопара в малоинерционном исполнении, наибольшей - манометрический термометр.

АСР числа рН . Системы регулирования рН можно подразделить на два типа, в зависимости от требуемой точности регулирования. Если скорость изменения рН невелика, а допустимые пределы ее колебаний достаточно широки, применяют позиционные системы регулирования, поддерживающие рН в заданных пределах: рНн ≤ рН ≤ рНв. Ко второму типу относятся системы, обеспечивающие регулирование процессов, в которых требуется точное поддержание pH на заданном значении (например, в процессах нейтрализации). Для их регулирования используют непрерывные ПИ- или ПИД-регуляторы.

Общей особенностью объектов при регулировании рН является нелинейность их статических характеристик, связанная с нелинейной зависимостью рН от расходов реагентов. на рисунке 7.16 показана кривая титрования, характеризующая зависимость рН от расхода кислоты G 1 . Для различных заданных значений рН на этой кривой можно выделить три характерных участка: первый (средний), относящийся к почти нейтральным средам, близок к линейному и характеризуется очень большим коэффициентом усиления; второй и третий участки, относящиеся к сильно щелочным или кислым средам, обладают наибольшей кривизной.

На первом участке объект по своей статической характеристике приближается к релейному элементу. Практически это означает, что при расчете линейной АСР коэффициент усиления регулятора настолько мал, что выходит за пределы рабочих настроек промышленных регуляторов. Так как собственно реакция нейтрализации проходит практически мгновенно, динамические характеристики аппаратов определяются процессом смешения и в аппаратах с перемешивающими устройствами достаточно точно описываются дифференциальными уравнениями 1-го порядка с запаздыванием. При этом, чем меньше постоянная времени аппарата, тем сложнее обеспечить устойчивое регулирование процесса, так как начинают сказываться инерционность приборов и регулятора и запаздывание в импульсных линиях.

Рисунок 7.16 - Зависимость величины рН от расхода реагента

Для обеспечения устойчивого регулирования рН применяют специальные системы. на рисунке 7.17, а показан пример системы регулирования рН с двумя регулирующими клапанами.

а - функциональная схема; б - статические характеристики клапанов (1, 2 - регулирующий клапан3 - регулятор рН).

Рисунок 7.17 - Пример системы регулирования рН

Клапан 1, обладающий большим условным диаметром, служит для грубого регулирования расхода и настроен на максимальный диапазон изменения выходного сигнала регулятора [х рн,х рв ] (Рисунок 7.17, б, кривая 1). Клапан 2, служащий для точного регулирования, рассчитан на меньшую пропускную способность и настроен таким образом, что при х р = х 0 р + Δ он полностью открыт, а при х р = х 0 р - Δ - полностью закрыт (кривая 2). Таким образом, при незначительном отклонении рН от рН 0 , когда х 0 р - Δ < х р < х 0 р + Δ, степень открытия клапана 1 практически не изменяется, и регулирование ведется клапаном 2. Если |х р - х 0 р |, клапан 2 остается в крайнем положении, и регулирование осуществляется клапаном 1.

На втором и третьем участках статической характеристики (Рисунок 3.12, б) ее линейная аппроксимация справедлива лишь в очень узком диапазоне изменения рН, и в реальных условиях ошибка регулирования за счет линеаризации может оказаться недопустимо большой. В этом случае более точные результаты дает кусочно-линейная аппроксимация (рисунок 7.18), при которой линеаризованный объект имеет переменный коэффициент усиления.

Рисунок 7.18 - Кусочно-линейная аппроксимация статической характеристики объекта при регулировании рН

На рисунке 7.19 приведена структурная схема такой АСР. В зависимости от рассогласования рН, включается в работу один из регуляторов, настроенный на соответствующий коэффициент усиления объекта.

Рисунок 7.19 - Структурная схема системы регулирования рН с двумя регуляторами.

АСР параметров состава и качества. В процессах химической технологии большую роль играет точное поддержание качественных параметров продуктов (концентрация определенного вещества в потоке и т.п.). Эти параметры сложно измерить. В некоторых случаях для измерения состава используют хроматографы, которые выдают результаты измерения в дискретные моменты времени (по продолжительности цикла работы хроматографа).

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 поданным 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 рисунке 7.20. Вычислительное устройство в общем случае непрерывно рассчитывает оценку показателя качества ~ (t) по формуле:

в которой первое слагаемое отражает зависимость от непрерывно измеряемых переменных процесса или величин, динамически с ними связанных, например производных, а второе - от выхода экстраполирующего фильтра.

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.

1 - объект; 2 -анализатор качества; 3 - вычислительное устройство; 4 - регулятор

Рисунок 7.20 -. Блок-схема АСР параметра качества продукта:

В качестве примера рассмотрим процесс принятия решений при автоматизации одного из распространенных типовых процессов.

Автоматизация процесса перемешивания. Общая характеристика процессов перемешивания в жидких средах. Перемешивание - гидромеханический процесс взаимного перемещения частиц в жидкой среде с целью их равномерного распределения во всем объеме под действием импульса, передаваемого среде мешалкой, струей жидкости или газа.

Основные технологические параметры, характеризующие химико-технологические процессы - это расход, уровень, давление, температура, рН, а также параметры качества: концентрация готового продукта и его физико-химические свойства (плотность, вязкость, влажность и др.).

Регулирование расхода

При регулировании расхода нужно учитывать некоторые особенности, не присущие обычно системам регулирования других технологических параметров. Первая особенность - небольшая (обычно пренебрежимо малая) инерционность объекта регулирования, который представляет собой, как правило, участок трубопровода между первичным измерительным преобразователем для измерения расхода и регулирующим органом. После перемещения штока регулирующего органа в новое положение новое значение расхода устанавливается за доли секунды или, в крайнем случае, за несколько секунд. Это означает, что динамические характеристики системы определяются главным образом инерционностью измерительного устройства, регулятора, исполнительного устройства и линией передачи сигнала (импульсных линий). Вторая особенность проявляется в том, что сигнал, соответствующий измеренному значению расхода, всегда содержит помехи, уровень которых высок. Частично шум представляет собой физические колебания расхода, частота которых настолько велика, что система не успевает на них реагировать. Наличие высокочастотных составляющих в сигнате изменения расхода - результат пульсаций давления в трубопроводе, которые в свою очередь являются следствием работы насосов, компрессоров, случайных колебаний расхода, например, при дросселировании потока через сужающее устройство. Поэтому при наличии шума, чтобы избежать усиления в системе случайных возмущений, следует применять малые значения коэффициента усиления регулятора.

Рассмотрим объект регулирования расхода - участок трубопровода 1, расположенный между местом измерения расхода (местом установки первичного измерительного преобразователя, например диафрагмы 2) и регулирующим органом 3 (рис. 1). Длина прямого участка трубопровода определяется правилами установки нормальных сужающих устройств и регулирующих органов и может составить несколько метров. Динамику объекта (трубопровода) - канала расход вещества через регулирующий клапан-расход вещества через расходомер - можно представить статическим зве-

Рис. 1. Фрагмент системы регулирования расхода.

ном первого порядка с транспортным запаздыванием. Значение постоянной времени составляет несколько секунд; время транспортного запаздывания для газа - доли секунды, для жидкости - несколько секунд.

Поскольку инерционность объекта при регулировании расхода незначительна, к выбору технических средств управления и методов расчета АСУ предъявляются повышенные требования.

Большинство современных первичных измерительных преобразователей расхода возможно рассматривать как статические звенья нулевого порядка, а исполнительное устройство (исполнительный механизм вместе с регулирующим органом) - как статическое звено первого порядка с постоянной времени Т в несколько секунд. Для повышения быстродействия пневматического исполнительного устройства применяют позиционеры. Пневматические линии связи представляют статическим звеном первого порядка с транспортным запаздыванием (постоянная времени Т и время транспортного запаздывания определяются длиной линии связи и составляют несколько секунд).

Если расстояния между функциональными элементами системы управления велики, то по длине импульсной линии устанавливают дополнительные усилители мощности, чтобы увеличить быстродействие системы.

В системах регулирования расхода применяют различные способы изменения расхода:

дросселирование потока вещества через регулирующий орган (клапан, заслонка, шибер и др.), установленный на трубопроводе;

изменение угловой скорости вращения рабочего вала насоса или вентилятора;

байпасирование потока (под байпасированием понимается переброс части вещества из основной магистрали в обводную линию).

К основным технологическим параметрам, подлежащим контролю и регулированию в химико-технологических процессах, относят расход, уровень, давление, температуру, значение рН и показатели качества (концентрацию, плотность, вязкость и др.)

Необходимость регулирования расхода возникает при автоматизации практически любого непрерывного процесса.

АСР расхода, предназначенные для стабилизации возмущений по материальным потокам, являются неотъемлемой частью разомкнутых систем автоматизации технологических процессов. На рис.3.4 дана принципиальная схема объекта при регулировании расхода. Обычно таким объектом является участок трубопровода между точкой измерения расхода (например, местом установки сужающего устройства 1) и регулирующим органом 2. Длина этого участка определяется правилами установки сужающих устройств и регулирующих органов и составляет обычно несколько метров. Динамика канала “расход вещества через клапан – расход вещества через расходомер” приближенно описывается апериодическим звеном первого порядка с чистым запаздыванием. Время чистого запаздывания обычно составляет доли секунд для газа и несколько секунд – для жидкости; значение постоянной времени – несколько секунд.

Ввиду малой инерционности объекта регулирования особые требования предъявляются к выбору средств автоматизации и методов расчёта АСР. В частности, в промышленных установках инерционность цепей контроля и регулирования расхода становится соизмеримой с инерционностью объекта, и ее следует учитывать при расчете систем регулирования.

Рис. 3.4. Принципиальная схема объекта при регулировании расхода: 1-измеритель расхода; 2-регулирующий клапан.

Выбор законов регулирования диктуется обычным требуемым качеством переходных процессов. Для регулирования расхода без статической погрешности в одноконтурных АСР применяют ПИ-регуляторы. Если АСР расхода является внутренним контуром в каскадной системе регулирования, регулирование расхода может осуществляться П-законом регулирования. При наличии высокочастотных помех в сигнале расхода применение регуляторов с дифференциальными составляющими в законе регулирования без предварительного сглаживания сигнала может привести к неустойчивой работе системы. Поэтому в промышленных АСР расхода применение ПД- или ПИД-регуляторов не рекомендуется.

В системах регулирования расхода применяют один из трех способов изменения расхода:

дросселирование потока вещества через регулирующий орган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, заслонка);

изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии (например, изменением числа оборотов двигателя насоса или угла поворота лопастей вентилятора);

байпасирование, т.е. переброс избытка вещества из основного трубопровода в обводную линию.

Регулирование расхода после центробежного насоса осуществляется регулирующим клапаном, устанавливаемым на нагнетательном трубопроводе (рис. 3.5,а). 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 оси насоса).

В этом случае для
Измерителем расхода при этом может служить взвешивающее устройство, которое определяет массу материала на ленте транспортера.

Рис. 3.6. Схемы регулирования расхода сыпучих веществ:

а - изменением степени открытия регулирующей заслонки;

б–изменением скорости движения транспортера; 1– бункер;

2 - транспортер; 3 – регулятор; 4 – регулирующая заслонка;

5 – электродвигатель

Регулирование соотношения расходов двух веществ можно осуществлять по одной из трех схем, описанных ниже.

1. При незаданной общей производительности расход одного вещества (рис.3.7,а) G1, называемый “ведущим”, может меняться произвольно; второе вещество подается при постоянном соотношении g с первым, так что “ведомый” расход равен gG1. Иногда вместо регулятора соотношения используют реле соотношения и обычный регулятор для одной переменной (рис.3.7,б). Выходной сигнал реле 6, устанавливающего заданный коэффициент соотношения g, подается в виде задания регулятору 5, обеспечивающему поддержание “ведомого ”расхода.

2. При заданном “ведущем” расходе кроме АСР соотношения применяют и АСР “ведущего” расхода (рис. 3.7,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 g (например, температуры в аппарате). При этом заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в зависимости от этого параметра, так что G2 = g(y) G1 (рис. 3.7,г).

Рис. 3.7 Схемы регулирования соотношения расходов:

а, б – при незаданной общей нагрузке; в – при заданной общей нагрузке; г – при заданной общей нагрузке и коррекции коэффициента соотношения по третьему параметру; 1,2 – измерители расхода;3- регулятор соотношения; 4,7 – регулирующие клапаны;

5 – регулятор расхода; 6 – реле соотношения; 8 – регулятор температуры; 9 – устройство ограничения