www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация технологических процессов во многих отраслях промышленности осуществляется на базе пневматических регуляторов, работающих как самостоятельно, так и в различных сочетаниях с электрическими, гидравлическими и механическими приборами и устройствами. При этом для автоматизации технологических процессов в таких отраслях промышленности, как нефтеперерабатывающая, нефтехимическая, химическая, газовая, пищевая и многие другие, применение пневматических регуляторов является предпочтительным. Кроме того, на отдельных предприятиях, установках и агрегатах черной и цветной металлургии, машиностроения, легкой промышленности и многих других применение пневматических регуляторов часто оказывается также целесообразным. Причиной этого является простота эксплуатации, высокая надежность и сравнительно невысокая стоимость.

Современное состояние пневмоавтоматики в мировой практике оценивается соотношением между электронными и пневматическими средствами автоматизации технологических процессов, находящихся в эксплуатации, как 50 : 50 %. При этом различные фирмы-изготовители средств автоматизации по-разному оценивают перспективы пневмоавтоматики, но все признают, что она сохранит свои позиции в обозримом будущем. И это несмотря на значительное развитие средств и систем непосредственного цифрового управления, микропроцессоров, магистральных систем передачи данных и другой современной электронной аппаратуры контроля и управления технологическими процессами.

Пневмоавтоматика развивается двумя путями: конструктивным, при котором дальнейшее совершенствование и создание новых приборов и устройств контроля и управления осуществляется на основе совершенствования их схем и конструкций, и схемным, при котором расширение функциональных возможностей, улучшение эксплуатационных качеств устройств контроля и управления и построенных на их базе САР достигается за счет разработки схем взаимодействия регуляторов с регулируемыми объектами, т.е. за счет развития структур САР. Оба пути не являются конкурирующими, а дополняют друг друга.

Отмечая особенности конструктивного пути развития, укажем, что современная пневмоавтоматика характеризуется существенным развитием ее элементной базы. В нашей стране разработано и освоено серийным производством несколько комплексов элементов пневмоавтоматики универсального назначения. Среди них наиболее распространенными являются: универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭГША) [ 35, 37, 38, 47, 54, 58], комплекс элементов и модулей пневмоавтоматики (КЭМП) [ 54] и др. Указанные комплексы содержат элементы и модули непрерывного действия (аналоговой техники) — регулируемые и нерегулируемые пневмосопротивления, пневмоемкости, элементы сравнения (операционные усилители), сумматоры, пневмоповторители, усилители мощности, задатчики, электропневматические и пневмо-электрические аналоговые преобразователи, выполняющие элементарные алгебраические и временные функции при переработке информации, представляемой стандартизованными аналоговыми пневматическими сигналами, равными 20—100 кПа при давлении питания 140 кПа, а также элементы и модули дискретного действия (дискретной техники) — пневмореле, пневмоклапаны, пневмокнопки, пневмотумблеры, пневмосигнализаторы, электропневматические и пневмоэлектрические дискретные преобразователи, выполняющие элементарные функции логики с дискретными стандартизованными пневматическими сигналами "0" и "1", равными 0—10 кПа и 110—154 кПа соответственно.

Элементы пневмоавтоматики просты по устройству и имеют сравнительно небольшие размеры. Конструктивно они рассчитаны на установку на специальных монтажных платах с внутренними коммутационными каналами, что позволяет строить на их базе функциональные модули и блоки с высокой эксплуатационной надежностью, реализующие сложные алгоритмы управления в системах автоматизации в различных отраслях промышленности. Комплексы непрерывно совершенствуются и пополняются элементами и модулями новых разработок.

На базе пневматических элементов и модулей универсального назначения у нас в стране разработан и освоен серийным производством ряд агрегатированных функционально-аппаратурных аналоговых и дискретных комплексов средств пневмоавтоматики общепромышленного применения, содержащих вторичные измерительные приборы, станции управления, регулирующие, вычислительные, управляющие и вспомогательные устройства, составляющие основу центральной части пневматической ветви Государственной системы приборов и средств автоматизации (ГСП).

Характерной особенностью разработанных комплексов является стандартизация входных и выходных аналоговых и дискретных пневматических сигналов, а также блочно-модульный принцип построения входящей в их состав аппаратуры при достаточно широкой ее номенклатуре. Это позволяет на базе аппаратуры комплексов строить системы автоматизации (автоматического контроля, регулирования и управления) различной структурой сложности и различного функционального назначения для непрерывных и дискретных технологических процессов в различных отраслях промышленности.

Среди агрегатированных комплексов аналоговых средств пневмоавтоматики наиболее распространенными являются: комплекс вторичных измерительных приборов, станций управления, регулирующих и вычислительных устройств "Старт" [ 8, 10, 23, 35, 36, 37, 38, 41, 42, 55, 57, 58]; агрегатный функционально-аппаратурный комплекс "Центр" [4, 48]; агрегатный комплекс технических средств "Режим-1"; комплекс вторичных измерительных приборов, станций управления, регулирующих и вычислительных блоков АУС [ 41, 42, 55]. Заметим, что хотя аппаратура последнего комплекса в настоящее время серийно не изготовляется, конструктивные решения по ней представляют определенный интерес для разработчиков как средств, так и систем автоматизации.

Аппаратура указанных комплексов работает совместно с пневматическими датчиками [ 14, 19, 20, 41, 59] и исполнительными устройствами (исполнительными механизмами и регулирующими органами) [ 6, 19, 21, 22, 42, 44], входящими в состав ГСП, при этом конструктивные исполнения и технические характеристики датчиков и исполнительных устройств (ИУ) непрерывно улучшаются, а номенклатура пополняется новыми разработками.

Важная роль при реализации пневматических САР принадлежит регуляторам приборного и аппаратного исполнения [ 42]. На их базе выполняются отдельные САР. Кроме того они могут работать совместно с аппаратурой указанных выше агрегатированных комплексов, при этом конструктивные исполнения и технические характеристики регуляторов непрерывно улучшаются.

Среди агрегатированных комплексов дискретных средств пневмоавтоматики наиболее распространенными являются: комплекс "Корд", предназначенный для автоматизации периодических технологических процессов по одноканальным структурам программного управления (число технологических операций — до 36, управляемых пневматических и электрических исполнительных механизмов — до 30) с возможностью перенастройки программ управления в широких пределах; агрегатный комплекс "Центр-логика", предназначенный для автоматизации периодических технологических процессов как по одноканальным, так и по многоканальным структурам программного управления с возможностью наращивания функциональных блоков и перенастройки программ управления, что практически не ограничивает число технологических операций и управляемых пневматических и электрических исполнительных механизмов.

Заметим, что системы автоматического управления периодическими технологическими процессами, выполняемые на базе аппаратуры агрегатированных комплексов дискретного действия, в данной книге не описаны, поскольку они составляют достаточно большой класс систем управления и должны рассматриваться отдельно.

Отмечая особенности схемного пути развития средств и систем автоматизации вообще и пневматических в частности, укажем, что он возник, развился и приобрел актуальность в связи с усложнением задач автоматизации, успешное решение которых, как будет показано в последующих главах, стало возможным благодаря использованию прогрессивных принципов управления, таких как комбинированное регулирование по отклонению и по возмущению, регулирование с использованием промежуточных регулируемых величин, регулирование с использованием регуляторов с переменной структурой, регулирование по вычисляемым обобщенным параметрам, экстремальное, приоритетное и многосвязное регулирование, регулирование с использованием одновременно нескольких указанных принципов управления и др.

Реализация большинства указанных принципов управления связана с развитием структур САР с одновременным расширением функциональных возможностей автоматических регуляторов, позволяющих вводить в различные точки контуров регулирования дополнительные сигналы от возмущающих воздействий, от промежуточных регулируемых величин, от параллельно и последовательно работающих регуляторов и т.д., а это, в свою очередь, вызывает необходимость ввода в контуры САР вычислительных устройств, формирующих вместе с регулирующими устройствами (РУ) сигналы регулирующих воздействий.

Таким образом, схемный путь развития средств и систем пневмоавтоматики, в частности пневматических регуляторов и САР, можно условно распределить на два этапа: первый — развитие структур САР, второй — ввод в контуры САР ВУ; при этом оба этапа не конкурируют, а дополняют друг друга.

Заметим, что схемный путь развития средств и систем пневмоавтоматики стал возможным лишь после создания (в составе комплексов АУС, "Старт" и др.) пневматических ВУ и использования блочно-модульного принципа построения средств автоматизации, позволившего вводить дополнительные сигналы практически в любые точки контуров САР. При этом набор пневматических ВУ, который непрерывно пополняется новыми разработками, обеспечивает выполнение достаточно большого объема вычислительных операций с аналоговыми стандартизованными пневматическими сигналами, в том числе операции нормализованного преобразования пневматических сигналов (смещение, масштабирование, инвертирование) , алгебраического суммирования, умножения, деления, возведения в степень, извлечения корня, дифференцирования, интегрирования, селектирования сигналов большего или меньшего значения и другие вычислительные операции, встречающиеся в задачах автоматизации технологических процессов.

Поскольку в данной работе основное внимание уделяется вопросам создания пневматических САР ТП, отметим, что разработка их представляет собой творческий процесс решения двух взаимосвязанных вопросов: синтеза оптимальной структуры САР и выбора типов и параметров настройки аппаратуры для ее реализации на конкретном объекте (датчиков, РУ, ВУ, вторичных измерительных приборов, станций управления, ИУ, источников питания и вспомогательной аппаратуры).

Успешному решению указанных вопросов обычно предшествует изучение и анализ особенностей объекта автоматизации, а также требований, предъявляемых к аппаратуре контроля и управления, в том числе: а) изучение и анализ автоматизируемого ТП (физическая сущность, непрерывность, мощность); б) выявление физических и технологических параметров, характеризующих ход ТП (предельные значения на различных нагрузках, требуемая точность поддержания в установившихся и переходных режимах); в) анализ статических и динамических характеристик регулируемых участков ТП по различным каналам возмущающих и регулирующих воздействий на различных нагрузках, их постоянство во времени; г) анализ взаимозависимости различных регулируемых величин по различным каналам воздействий в статике и динамике; д) изучение и анализ конструктивных особенностей оборудования, участвующего в ТП и подлежащего автоматизации; е) изучение и анализ условий эксплуатации технологического оборудования и средств автоматизации, включая характеристику окружающей среды, условия пуска и остановки, а также противо-аварийную защиту; ж) анализ экономической эффективности, достигаемой в результате автоматизации.

Для обеспечения качественной разработки САР большое значение имеют математические модели регулируемого объекта по различным каналам возмущающих и регулирующих воздействий, полученные аналитически или экспериментально. При этом важным является установление фактической и допустимой степени адекватности математических моделей реальному ТП, что выявляется обычно на завершающей стадии создания САР (при экспериментальной проверке работы ее на реальном объекте).

Существенной особенностью разработки пневматической САР является также и то, что в пневмоавтоматике традиционно функции контроля, регулирования и ручного дистанционного управления обычно совмещаются в одних и тех же многофункциональных приборах. Например, вторичные измерительные приборы со встроенными станциями управления выполняют одновременно функции контроля, формируют сигналы задания и ручного дистанционного управления ИУ и переключают аппаратуру САР из одного режима работы на другой.

Таким образом, задача разработки пневматической САР сводится к тому, чтобы с учетом всех особенностей автоматизируемого объекта синтезировать оптимальную структуру САР и выбрать регулятор и другую аппаратуру автоматизации. При этом необходимо обеспечить требуемое качество ТП и максимально облегчить условия пуска, наладки и длительной эксплуатации технологического оборудования и собственно аппаратуры автоматизации при минимальной затрате средств на ее приобретение, монтаж, наладку и эксплуатацию. При такой постановке задачи в процессе разработки пневматической САР необходимо решить комплекс взаимосвязанных вопросов автоматизации, в том числе: автоматизацию контроля главных и вспомогательных регулируемых величин, автоматическое регулирование, ручное дистанционное управление ИУ, автоматическую противоаварийную защиту (последняя в составе САР разрабатывается лишь в исключительных случаях, так как вопросы противоаварийной защиты чаще всего представляют самостоятельную задачу и решаются отдельно) .

Существенная роль в обеспечении высокого качества разработки САР принадлежит моделированию ее на ЭВМ. Моделирование позволяет проверить структуру САР и, если возникает необходимость, откорректировать ее, определить оптимальные значения параметров настройки регуляторов и оценить качество регулирования до того, как САР будет реализована на конкретном объекте. При этом результат моделирования будет тем точнее, чем точнее будет соответствовать теоретическая модель объекта реальным условиям. Моделирование не проводится при разработке САР для объектов (либо для отдельных регулируемых участков), имеющих проверенные на практике аналоги.

Большое значение в повышении качества разработок, а в конечном счете и в повышении эффективности САР, имеют мероприятия по обеспечению прогрессивных методов монтажа и наладки САР, а также мероприятия по диагностике регуляторов и другой аппаратуры автоматизации на местах их эксплуатации.

Назад, на страницу описания