Читать книгу Курс «Регулирующая арматура в системах автоматизации» - Станислав Львович Горобченко - Страница 4

Стадия 1

На первом этапе развития в соответствии с (1) технологические схемы, как правило, были простыми, не требовавшими какого-либо регулирования и выполнялись вручную. Все процессы поддавались ручному управлению и регулированию. Сушильные секции обогревались паром с низким избыточным давлением. Открытые конструкции позволяли легко обслуживать машину.

Повышение скорости до 80м\мин поставило вопрос о начале регулирования, особенно с появлением напорного ящика с гидростатическим напором, позволившим существенно повысить скорость и качество истечения суспензии из выпускной щели.

Повышение скорости до 100м\мин привело к усложнению конструкции размольно-подготовительного отделения (РПО) и машины, поставило вопросы о безотказности и ремонтопригодности в целом, т.к. потери продукции из-за внезапных остановов и выходов из строя отдельных компонентов и неудобства их ремонта стали ощутимыми. Число рабочих резко сократилось, и их функции ограничились управлением процессами, наблюдением за постоянством количества и качества производимого продукта, ручным регулированием пуска и останова машин.

С интенсификацией технологического процесса потери непрерывности процесса и простои становятся недопустимыми, начинают исключаться холостые движения рабочих органов машины. В условиях возрастающей мощности возникает новая задача синхронизации и взаимоувязки регулирующих воздействий. Если раньше в РПО производство было дискретным, то с появлением мельниц оно также стало непрерывным. Для его реализации в целом предусматривается множество компенсирующих баков и емкостей, поскольку они позволяли снять проблемы в увязке и взаимовлиянии контуров и циркуляционных участков в поддержании стабильности процесса. Этап 1 закончился полной реализацией непрерывности технологического процесса.

Стадия 2

Возможности автоматического управления приводом, сеткой и др. создали предпосылки для повышения скорости истечения массы на сетку БДМ. Рос диаметр проходных сечений в регулирующих контурах, возникло понимание необходимости управлять расходными характеристиками и определять пропускную способность регулирующих органов. Скорости начали достигать свыше 500м\мин.

В технологических схемах начали появляться дополнительные подсистемы, позволяющие регулировать гидростатический столб жидкости. К этому же времени относятся и изменения конструкций напорных ящиков, гауч-прессов, изобретение и установка отсасывающего вала, что дополняло технологические схемы новыми контурами регулирования. Возникли новые задачи подачи красителей, клея, водоподготовки и т.п., реализуемые все новыми и новыми контурами регулирования.

При достижении скорости свыше 500м\мин появились трудности со снижением вибрации, динамических пульсаций, ростом диаметров трубопроводов и размерами регулирующих клапанов.

На этой стадии развития БДМ совершенствовались автоматические системы регулирования технологического процесса формования и обезвоживания полотна, непрерывного поддержания системы в работоспособном состоянии. Повышение скорости и удельных показателей работы сеточного стола уже достигалось не увеличением его длины, а путем интенсификации технологических процессов и повышения его удельной энергоемкости.

Появляются развитые вакуумные системы в связи с ростом применения прессов с нижними отсасывающими валами на подшипниках качения. Применяются новые конструкции отсасывающих валов, спрыски высокого давления из нержавеющей стали вместо бронзы.

В сушильной части вместо открытых конструкций появляется закрытый привод с централизованной циркуляцией смазки. Вся сушильная часть закрывается колпаком для утилизации и рекуперации тепла. Из-за тяжелых условий обслуживания развитие получают автоматические системы пароснабжения, отвода конденсата, централизованной смазки, эвакуации паровоздушной смеси и вентиляции, управления движением и кондиционированием сукон. Вместе с механизацией процессов на машине (заправка полотна, подъема валов и т.п.) все чаще применяются пневмосистемы, поскольку широкое развитие получают компрессорные станции с развитием систем подачи «силового» воздуха. Появляются системы подачи и охлаждения валов паром и водой.

Надежность повышалась путем отработки конструкций регулирующих органов, применением резервирования, динамизации процессов. Реализация обеспечивалась разработанными для этих целей средствами регулирования. Развитие обеспечивающих и вспомогательных процессов, переход к автоматическому регулированию технологических операций, широкое включение все новых и новых контуров регулирования и регулирующих органов стали содержанием этого этапа.

С ростом скорости до 500м\мин потребовалось увеличить и существенно улучшить качество подготовки бумажной массы перед ее подачей в напорный ящик. По этой причине значительные изменения начали происходить в технологических схемах размольно-подготовительного отделения (РПО).

Усовершенствования происходили по следующей схеме:

Появление оборудования для очистки суспензии от грубых включений и твердых частиц, (песочницы, циклоны, центробежные очистители).

Применение оборудования для сортирования и очистки суспензии от легких включений: (узлоловители, сортировки с ситами).

Расширение применяемых схем с гидростатическим и гидродинамическим напором, применение оборудования для создания вакуума и обвязка их более сложными и надежными регулирующими устройствами.

Контуры регулирования обвязывали как каждый отдельный элемент технологической схемы, так и вспомогательные элементы.

Начинают выделяться контуры регулирования, наиболее сильно влияющие на технологический процесс (специализированные и критические контуры регулирования).

Из задач регулирования становится значимой задача синхронизации работы различных узлов при высокой скорости протекающих процессов. Если до 1940г. машины практически не оснащались системами автоматического регулирования и автоматизации, то далее начинается их бурное внедрение.

Усложнение конструкций машин при росте скорости и производительности привело также и к увеличению возможности отказов и возрастанию экономических потерь. Эти факторы были основными причинами усиленного внимания к решению проблемы безотказности и ремонтопригодности БДМ (2), что привело к необходимости изменений в обслуживании и ремонте машин. На регулирующих клапанах и арматуре это отразилось тем, что они должны были быть более надежны и ремонтопригодны.

Основной мерой реализации надежности технологического процесса оставалось резервирование, обеспечивающее неразрывность протекания массы при каких-либо сбоях. Достаточно много было и открытых контуров, выбрасывающих использованные ресурсы из процесса. Ярким примером может быть оборотная вода, осветленная вода, сточные воды и т.п.

С развитием модульности конструкций и требований легкости монтажа и демонтажа стали чаще применяться компактные, легкие клапаны и арматура. В качестве примера можно сказать, что по возможности происходила замена шиберных задвижек на поворотные заслонки.

На втором этапе также зародилась и система технического обслуживания и ремонта, имеющая прямое отношение к клапанам и арматуре. Начали выделяться специализированные участки ремонта измерительных приборов и автоматизации. Однако, уровень унификации, при котором можно было бы не только заменять, но и модернизировать или обеспечивать обновление конструкции, еще не был достигнут. В связи с этим задачи ремонтопригодности и связанные с ними задачи блочности и модульности решений, унификации, взаимозаменяемости и преемственности в развитии решений остаются актуальными. Важной задачей становится и определение ресурсов безотказной работы, как в связи с надежностью работы в целом, так и надежности регулирования. На этой стадии решение виделось в создании системы планово-предупредительного ремонта (ППР) и норм технического обслуживания (ТО).

На заключительной стадии второй этап характеризовался совершенством механической части машин, внедрением новых машин и устройств. Процесс управления машиной обогатился приборами, автоматическими регуляторами, позволяющими вести дистанционное управление и автоматическое регулирование. Основной движущей силой развития контуров регулирования являлись: интенсификация процессов, повышение требований к обеспечению надежности регулирования и безотказности, усложнение технологических схем, рост единичной мощности, особенно быстродействия, выход на предел скорости 600-650м\мин.

Стадия 3

Для повышения скорости машин свыше 600м\мин необходимо было решить ряд взаимосвязанных задач. Наибольшее влияние на развитие контуров регулирования оказали задачи улучшения подачи бумажной массы на сетку, т.н. «мокрый конец» и интенсификация сушки полотна. В это время появляется более надежный клапан регулирования веса м² с тонким пошаговым регулированием вместо обычных клапанов, применяемых в измерительных контурах регулирования. Количество шагов регулирования начало достигать 3000 (3). Стабильно достижимое регулирование стало возможным при скорости до 900м\мин.

Обнаружилась невозможность качественного обезвоживания и формования полотна при скорости свыше 600м\мин вследствие возрастающего разрежения в сбегающем клине регистрового валика и подскока суспензии над сеткой после каждого валика из-за гидравлического удара от прорыва воздуха в разреженные полости сбегающего клина. Произошла замена на обезвоживающие элементы, позволяющие плавно регулировать процесс обезвоживания (гидропланки, отсасывающие ящики). К важным контурам регулирования с повышенными требованиями к точности регулирования добавилась система контуров отсасывающих ящиков.

Надо сказать, что и каждый новый сорт бумаги добавлял к технологическим схемам новые требования к регулированию и контурам регулирования. Добавки химикатов, формирование новых композиций, изменение состава сырья отражались на технологических схемах появлением, как новых циклов, так и обслуживающих их все более специализированных контуров регулирования.

В размольно-подготовительном отделении (РПО) особенное развитие получило применение очистителей различных модификаций, включая очистители высокой концентрации, закрытые узлоловители с гидродинамическими лопатками, сита, декулаторы и вакуумные вихревые очистители, вакуум-компрессоры. Обслуживание и регулирование работы этих элементов зависело и от качества регулирующих органов.

В настоящее время БДМ имеет свыше 350 систем контроля, регулирования и дистанционного управления. Требование к точности поддержания заданных параметров и их количество постоянно возрастали, и потребовалась автоматизация управления процессами с применением принципов сочетания многих взаимосвязанных параметров. В первую очередь стали появляться автоматизированные системы с централизованным контролем и управлением.

Другой важной задачей стало устранение потерь производительности вследствие неэффективных режимов работы машины. Большая скорость машины требует оперативного вмешательства и регулирование множества взаимосвязанных параметров. Например, изменение скорости машины одновременно требует изменения напора в напорном ящике, изменения количества волокнистой массы, поступающей в смесительный насос и т.д. Система простых регуляторов уже не справляется с этой задачей и происходит переход на более совершенную ступень автоматизации, когда управление ведется в зависимости от сложившейся ситуации.

На третьей стадии заметно проявляется тенденция к вбиранию в себя и увязке всех участков непрерывного потока, который объединяет в себе бумагоделательная машина. Создается непрерывный, с жесткими связями производственный поток, включающий размол, сортирование, очистку, составление композиции и изготовление бумаги на машине. Все отдельные подсистемы регулирования централизуются и связываются с пультами управления машиной. Эти мероприятия повысили производительность труда и общую межцеховую производительность оборудования.

Регулирование на 3-й стадии переходит от коротких обратных связей, обеспечивающих поддержание только отдельных параметров процесса на многофакторные. В первую очередь рождается многофакторное управление, в частности, на регуляторе измерения веса м2 это управление осуществляется по уравнению баланса массы.

На этом же этапе проявилась тенденция к обработке информации в местах ее появления, без передачи на обработку в центральный компьютер. Следуя за тенденцией к переходу с «макро на микро уровень», читай от централизованной обработки информации к персональным и локальным решениям в области автоматизации, большее внимание стало уделяться таким элементам как повышение откликаемости регулирующих органов. Появляются развитые системы диагностики, как в составе АСУ ТП, так и отдельно по регулирующим клапанам и КИП. В тоже время появлялось все большее число настроечных параметров. Передаваемые сигналы по аналоговым кабелям не могли справиться с одновременными требованиями как к объему передаваемых данных, повышению точности сигналов и их помехозащищенности.

Решением стало появление и активное внедрение цифровых систем регулирования Profibus и Foundation Field Bus. С появлением таких шин уровень оцифровки впервые подошел к непосредственно регулирующему органу и исполнительным механизмам. Его воплощением стали, например, цифровые позиционеры ND9000 компании Metso Automation. В настоящее время объем использования полевых шин в мире уже превысил 12% с тенденцией к максимальному росту по сравнению с аналоговыми и аналого-цифровыми системами.

Чисто практической пользой в применении цифровых систем стала возможность накапливать и обрабатывать данные по работе контуров регулирования и регулирующих клапанов, их многофакторная обработка с возможностью применения специального программного обеспечения. Появились возможности включения системы автоматизации АСУ ТП в систему автоматизации предприятия АСУП и диспетчерского управления АСОДУ. Данные теперь не терялись, а своевременно могли быть обработаны, проанализированы и получены рекомендации о той или иной неисправности, спланированы ТО и ремонты, оформлена потребность в запчастях и т.д.

С развитием понимания процессов, протекающих при регулировании, и благодаря развитию цифровых систем, контур регулирования приобретает все большую автономность, способность оценивать протекание того или иного процесса, характерного для регулирования. Результатом становится переход контура от чисто измерительного к информационно–измерительному. Связи между элементами системы становятся все менее жесткими и все более информационными.

Однако выявилась и наиболее характерная проблема внедрения новых систем автоматизации. С повышением интеллектуализации и специализации даже таких стандартных элементов как регулирующие клапаны и другие устройства КИП возник диссонанс между значительным опережением уровня техники по отношению к возможностям обслуживающего персонала. Противоречие заключалось в том, что невозможно уследить за всеми новинками техники, а иметь высококвалифицированный персонал на все устройства экономически нецелесообразно. Кстати, с высокой скоростью морального устаревания систем автоматизации это и невозможно.

Что же делать? Выход нашелся в развившемся к этому времени в более прогрессивных отраслях систем удаленной диагностики и управления на основе более совершенных автоматических контуров. Внешнее сервисное обслуживание при этом проводится специалистами компании-изготовителя или сервисной компании. Технической основой являются цифровые контуры регулирования, совершенные алгоритмы систем автоматизации с возможностью управления, диагностики и самодиагностики исполнительных устройств. Системы также подразумевали переход от ППР на прогнозирующее обслуживание по результатам диагностики. Снижение затрат владельцев БДМ обеспечивалось бесперебойной работой оборудования, долговременной эксплуатационной надежностью и полным выполнением метрологических характеристик средствами регулирования и гарантиями со стороны сервисных компаний. Снижение затрат на сервисное обслуживание достигалось фиксированием базовой цены на обслуживание по нижнему пределу, возложением обязанностей по поддержанию работы оборудования, снижению объема потребления запчастей на сервисную компанию. В настоящее время уровень аутсорсингового сервисного обслуживания на современных предприятиях по всему миру достигает до 10-18%.

Современные тенденции развития технологических схем и их влияние на контуры регулирования

Развитие технологических схем сопровождалось введением все новых элементов, циклов и обслуживающих их контуров. Так, на первой стадии приготовленная волокнистая суспензия хранилась в бассейне, откуда насосом подавалась в переливной бачок, узлоловитель и открытый напорный ящик низкого напора. Во второй стадии в схемы включаются конические мельницы для домола, песочница, цикл узлоловителей, открытый напорный ящик высокого напора. В третьей стадии цепь удлиняется и формируется непрерывный поток с размолом, очисткой, автоматической системой составления композиции, системой узлоловителей закрытого типа, декулатором и напорным ящиком закрытого типа. От периодической подготовки массы происходит переход к непрерывной подготовке волокнистой суспензии. Если в машинах первого и второго поколения подготовка полуфабрикатов и составление композиции проводилось периодически и независимо от темпов работы бумагоделательной машины, то в машинах третьего поколения операции по подготовке полуфабрикатов, составлению композиций, очистке, сортированию включены в непрерывную цепь производства и жестко связаны с ритмом работы БДМ.

В машинах 1-го и 2-го поколений волокнистая суспензия вследствие периодичности действия машины хранилась в больших выравнивающих емкостях. В машинах третьего поколения необходимость применения больших емкостей отпала.

Развитие параметров БДМ происходило неравномерно. В первую очередь заменялись наиболее слабые элементы, входившие в наибольшее противоречие с функцией производства качественной бумаги.

Наиболее важной тенденцией стало развитие адаптивных систем с обработкой сигналов на локальном уровне. Наибольшее развитие получают цифровые системы.

Тем не менее, реализация третьего этапа возможна только после прохождения 1-го и 2-го этапов. Вытеснение человека из работы машины значительно быстрее происходит с вытеснения его с уровня приложения энергии, где его силы ограничены. Вытеснение человека с уровня принятия решений происходит значительно медленнее, поскольку человек и сам является неплохой «информационной» системой.

Типовые направления развития технологических схем ЦБП

Повышение непрерывности протекания процесса.

Включает интенсификацию и повышение скорости протекания процессов, увеличение количества компонентов, обрабатываемых в одном аппарате.

Стабильность процесса и равномерность получаемого продукта.

Включает повышение качества получаемого продукта. Повышение качества процесса происходит за счет снижения нагрузки и увеличения параллельных звеньев, например, батареи центриклинеров. Устранение помех и шумов в передаче информации, регулирования и управления.

Примеры. Самодиагностика. Снижение транспортных плеч. Модернизация трубопроводов. Установка защищенных кабелей. Отказ от аналогового сигнала и замена его на цифровые системы передачи сигнала. Уход от кабелей и внедрение беспроводных систем передачи сигнала по технологии сотовой связи на промышленных предприятиях.

Передача интеллектуальных функций от централизованной системы управления к низовому уровню и в дальнейшем к исполнительным устройствам.

Усиливается внимание к снижению всех видов вибраций, пульсаций, динамических нагрузок, способных вызвать неуправляемые возмущения в потоке.

Пример. Применение полированных труб с зачищенным и полированным швом; использование труб повышенной гладкости; использование колен или гнутых участков труб вместе с прямолинейными вместо сварных секционных; использование шаровых кранов вместо шиберных заслонок и конических вентилей с целью снижения пульсаций давления из-за потери напора на гидравлических сопротивлениях. Формирование правильной геометрии массопроводов, непосредственно влияющих на формирование поля скоростей. Правильное расположение клапанов и вентилей перед напорным ящиком, поскольку они вызывают гидропульсации. Для неаэрированной массы воздух может стать дополнительной подушкой и дополнительно вызывать пульсации потока.

Интересно отметить использование возможностей самоорганизации технологического процесса.

Пример. Поддержание процесса в т.н. «центре», что позволяет снизить отклонения и потери из-за нестабильности процесса на краях поля концентраций, скоростей, давлений, температуры и т.п.

Развитие типовых и стандартизированных операций.

Это такие операции как разволокнение, очистка, растворение, смешение, размол, сгущение, сортировка, хранение, транспортировка, повышение концентрации, испарение, конденсация, тепломассообмен, деаэрация, вакуумирование, насыщение, адсорбция, промывка, обезвоживание, отжим, флотация и др. физико-химические процессы.

Развитие внутренней сложности технологических схем.

Включает увеличение числа ступеней обработки, внедрение каскадных принципов обработки, использование принципа противотока для интенсификации процессов, использование принципов разделения – фракционирования – получения однородного материала – его отдельной обработки – дальнейшего смешения и наложения с получением более управляемого и качественного материала.

Повышение степени «замыкания» схем.

Эта тенденция особенно проявляется в таких операциях как: регенерация, рекуперация, ступенчатая очистка, сортирование, возврат осветленной и подсеточной воды, формирование пароконденсатных схем с возможностью полного использования энергии конденсата, отсутствия вторичного вскипания и т.п. использование отходов и их доведение до безопасного состояния. Повышение безотходности за счет замыкания схем и использования специальных очищающих контуров очистки.

Использование замыкания все большего числа контуров в общую схему с целью полного использования его потенциала.

Пример. При промывке целлюлозы помимо свежей воды предусмотрено максимальное использование оборотной воды. Для утилизации тепла оборотных вод предусматриваются теплообменники, в которых свежая механически очищенная вода нагревается до 40^оС и используется в системе повторного водоснабжения. На подслой фильтра для улавливания волокна используется брак после пульсационной мельницы. Осветленная вода используется на спрысках сгустителей брака, дискового фильтра, на спрыски в сеточной части и отсасывающих валов. Мутный фильтрат возвращается на дисковый фильтр для повторного осветления. Разбавление многих полуфабрикатов, например, бумажной массы после подмола проводится регистровой водой.

Использование совмещения блоков.

Пример. Вихревая очистка совмещается с декулатором, где проводится деаэрация. Очистители 3-й ступени могут иметь регуляторы количества отходов.

Переход вспомогательного оборудования в основное в виде подсистемы.

Пример. Замена последовательного соединения элементов одновременной обработкой несколькими процессами или максимальное устранение транспортных трактов и плеч между участками технологического процесса.

Ступенчатые схемы.

Пример. Бумажная масса, поступившая на машинный бассейн из массоподготовительного отдела, направляется в дисковую мельницу для подмола.

Предварительная обработка сырья и массы с целью получения большего эффекта. Пример. Предварительная кислородно-щелочная обработка перед отбелкой позволяет исключить ступень опасной гипохлоритной отбелки и снизить расход хлора и каустика.

Пример. После выхода массы перед деаэратором устанавливают вихревой очиститель для повышения содержания воздуха в массе и более эффективного его удаления.

Интенсификация технологического процесса.

Включает повышение концентрации и необходимость разработки специальных клапанов для реализации течения массы средней концентрации, увеличение количества используемых химикатов, добавок, ингибиторов и др. Повышение давления, температуры, концентрации, агрессивности обрабатывающих сред, скорости потока, использования внутренних физико-химических эффектов, например, эндотермических, экзотермических реакций, изменения растворимости с температурой и давлением, адсорбции-десорбции и др. Использование пульсационных процессов и схем обработки, закономерностей образования и течения флоккул и флокулярного течения массы. «Химизация» и «биологизация» технологических схем.

Пример. Применение все большего числа химикатов, биоцидов. Сведения о производстве целлюлозы биологическими методами при помощи бактерий. Способ «варки» целлюлозы, когда слона кормят определенными волокнистыми травами, получая «на выходе» хорошо подготовленное целлюлозное волокно.

Последовательное применение "обрабатывающих" полей

Работает определенная последовательность в развитии применения тех или иных силовых «полей».

Пример. Для создания перепада давлений сначала используют гравитационный перепад под действием силы тяжести, далее увеличивают разницу давлений за счет столба жидкости, насосов с использованием не только гидростатического, но и гидродинамического напора и т.п.

Замена гравитационных систем перетоков значительно более управляемыми динамическими напорными системами.

Пример – насос и вентилятор.

Пример. В горении развитие шло по очевидной цепочке: воздух – воздушное напорное дутье – кислород – озон – переход к другим окислителям (и пиролиз) – ионизированные окислители – плазма. При этом процесс управления горением включал в себя следующие стадии: неуправляемое горение – управление подачей горючего и окислителей (современный этап) – непосредственное управление процессов горения (катализаторы, тепловые, механические, электрические воздействующие поля).

Поиск и использование вторичных ресурсов.

В случае невозможности их прямого использования – предварительная обработка. Замена высококачественного сырья низкосортным. Восполнение недостатка за счет установки дополнительных узлов и контуров в основную технологическую схему.

Пример. Вывод грубых загрязнений на первом этапе, постадийная очистка.

«Динамизация» технологических схем

Пример. Использование вакуумного фильтра- сгустителя вместо гравитационной решетки.

Использование одного элемента технологической схемы для нескольких операций. Пример. Использование вакуум-сгустителя для целей промывки.

Замена инерционных элементов технологических схем на более динамические.

Примеры. Замены инерционных бассейнов на сосуды меньшей емкости, с переходом к динамическому управлению при помощи автоматических регуляторов. Внедрение систем сгущения-разбавления и включение специальных измерительных устройств в технологический процесс для гарантирования показателей массы. Устранение крупных емкостей на обработку в процессе транспортировки суспензии. Пример – смешивание по технологии Lobemix в статическом смесителе вместо смешения в отдельном баке с мешалкой.

Специализация и интеграция контуров регулирования в оборудование и процесс. Выделение агрессивной обработки в специальный блок на технологической схеме с возможностью лучшего контроля. Развитие специализированных измерительных контуров и выделение их из общих технологических контуров регулирования. Выделение стандартных модулей их стандартизация и унификация, выделение специальных контуров и типового оборудования и нестандартного оборудования.

Пример. Контур регулирования расхода традиционно состоит из 2-х регулирующих клапанов и 4-х отсечных, объединенных в один агрегатированный узел.

Увеличение числа вспомогательных контуров, обеспечивающих лучшее выполнение функций основными. Интеграция с целью повышения надежности.

Пример. Обработка на некоторых узлах, см. пример выше – вакуумный сгуститель идет при вращении одного барабана с разными участками, которые раньше выполнялись последовательно. При такой интеграции достигнут и еще один «сверхэффект» – повышение надежности, поскольку были устранены дополнительные материальные связи между контурами, вносившие свои возмущения.

Стремление к повышению гибкости работы каждого элемента схемы.

– возможности сочетания параметров и "погашения" нестабильных параметров между предыдущей и последующей ступенью схем; обеспечение наиболее стабильного качества на выходе из каждой ступени на последующую; формирование дополнительных контуров, снижающих воздействие одной ступени на другую, если невозможно устранить вредный эффект, появившийся на предыдущей ступени.

Общие тенденции – снижение размеров и «компактизация» технологических схем, учет особенностей течения и реологии волокнистых суспензий, снижение гидравлических сопротивлений потоку, использование физико-химических и геометрических эффектов и особенностей протекания среды по гидротранспортным системам. Повышение управляемости технологического процесса за счет более совершенных контуров регулирования.

1.2. Закономерности развития технологических схем и контуров регулирования

Повышение степени идеальности технологических схем ЦБП

Определяя развитие технологических схем, можно сказать, что они, как и любая техническая система, двигаются в направлении повышения их «идеальности». При этом это возможно как за счет увеличения числа выполняемых полезных функций, так и уменьшения затрат и снижения вредности. Оптимальные решения достигаются при одновременном росте «полезности» и снижения «вредности».

Основными тенденциями в рамках уже существующих технологических схем являются следующие (4):

«Дотягивание» – доведение функций до требуемого уровня.

Пример. В связи с ростом непрерывности процесса подготовки массы наиболее часто подвергаются вытеснению элементы схем, работающих периодически. При невозможности получить качественный материал, вводятся новые контуры регулирования.

«Выжимание» – снижение издержек за счет оптимизации.

Пример. Применение вторичного сырья, стандартизация и унификация элементов схемы, исключение избыточных звеньев технологии, повышение управляемости отдельных циркуляционных схем, использование замкнутых циклов с возвратом оборотных вод, осветленной воды и т.п.

«Коррекция» – компенсация вредных функций.

Пример. Введение флотационных установок как для очистки воды, входящей в технологическую схему, так и для очистки сбросных вод. Применение шламовых прессов в схеме. Перевод открытых участков технологических схем на замкнутые, далее замкнутых на циркуляционные.

«Универсализация» – увеличение количества выполняемых полезных функций и включение функций других систем.

Пример. Контур сгустителя может работать и как узел промывки при минимальных модернизациях.

«Специализация» – усиление каких-либо полезных функций при отказе от других.

Пример. Специализация технологической схемы на обработке вторичного волокна из макулатуры.

«Повышение единичной мощности» – наиболее характерная тенденция, связанная с принципами формирования технологических схем для массовой продукции, и дает существенную экономию на масштабе. В связи с резким повышением требований к обеспечению непрерывности процесса при минимальных простоях, повышению надежности и исключению человеческого фактора является одной из ведущих при внедрении системы управления и контуров регулирования.

В дополнение можно сказать, что степень идеальности может быть повышена и поэлементным анализом каждого участка технологической схемы. Традиционно внимание конструкторов и технологов привлечено к основным элементам схем, в результате чего вариант выполнения вспомогательных участков выбирается почти случайно. Так, повысив внимание к вспомогательным, второстепенным и вредным функциям можно добиться эффекта, сравнимого с эффектом от повышения эффективности основных функций.

Пример. Анализ, проведенный специалистами Metso Automation, показал, что 2% капиталовложений в автоматизацию по каждой из 6 БДМ в компании UPM Kummene, могут привести к суммарному повышению эффективности и производительности на 15%, что равносильно отказу от покупки 7-й БДМ.

В случае установки нового эффективного оборудования в технологической схеме будут накапливаться противоречия, выражающиеся в том, что будут проявляться сбои на наиболее слабых участках, не способных эффективно обслуживать новое решение. Однако, также хорошо известно, что сильные решения долго не внедряются, тогда как основное развитие получают не самые эффективные решения.

Пример. Давно известно, что цифровые позиционеры дают значительно больше полезных функций по сравнению с аналоговыми. Однако, в связи с неготовностью других подсистем к их внедрению они, даже приходя с проектом на ЦБК, вытесняются со временем аналоговыми позиционерами.

Использование ресурсов в технологических схемах

В технологических схемах велико значение ресурсов и их использования. Так, на выходе лучшая технологическая схема «сама» пытается полностью извлечь полезный эффект из обрабатываемой массы и материала.

Одновременно решаются задачи использования внутренних производных ресурсов и извлечения из них максимального эффекта.

Пример. Установка флотоловушек между операциями. Возврат теплой оборотной воды на разбавление и гидроразбиватель. Возврат брака и его размол с возвращением его в процесс.

Пример. Применение гидроразбивателей высокой концентрации не в маловажной степени связано с тем, что масса высокой концентрации, перетирая себя сама, значительно лучше дефибриллируется. Поскольку масса высокой концентрации не может течь, для ее движения применяют ротор с возможностью ее проталкивания на турбосепаратор, расположенный прямо под ним. Дополнительно используется и само давление столба массы под действием поля гравитации. Разбавление происходит непосредственно перед турбосепаратором.

Другими видами ресурсов технологических схем могут быть ресурсы пространства.

Пример. Уменьшение транспортного плеча в технологических схемах, компактизация схем позволяет уменьшить среднюю длину перекачки массы, общее значение гидравлических сопротивлений и снизить потребление энергии насосами.

Пример. Интересным примером внедрения поворотных заслонок вместо задвижек являются не только технические преимущества, связанные с лучшей регулируемостью, но в значительной степени резкое уменьшение строительной длины. При этом при полном перерасчете можно показать, что основной эффект достигается за счет уменьшения общей длины трубопроводов и уменьшением подпора насосов и их энергопотребления.

Ресурсы информации. Это наиболее близко связанный с регулированием ресурс. Он может быть получен как от КИП, централизованной системы, визуального осмотра, оценки шумов, вибродиагностики и т.д. По ним можно судить о состоянии контуров и работоспособности схем.

Ресурсы времени. Это временные промежутки в технологическом процессе, также до и после него, между процессами, не использованные ранее. Одним из применений является обработка в процессе транспортировки.

Примеры. Статическое смешение по технологии LobeMix.

Составление композиции в процессе подачи химикатов.

Замена периодических процессов на непрерывные.

Передача информации в виде импульсов с заданной периодичностью и в сжатом виде в полевых шинах.

Другие ресурсы – функциональные. Это возможности системы выполнять по совместительству дополнительные функции как близкие к основным, так и неожиданные.

Пример. Вихревой очиститель, установленный у деаэратора, позволяет повысить концентрацию воздуха в массе перед ее удалением и повысить степень удаления воздуха в целом.

Регулирующий клапан с антикавитационным элементом Q-trim способен не только снижать кавитацию, но и приводить поток к ламинарному состоянию, что снижает вероятность формирования узелков.

Небольшие приспособления на регулирующих заслонках позволяют использовать энергию потока на закрытие, существенно снижая поворотный момент.

Системные ресурсы. Это новые полезные свойства, которые могут быть получены при изменении связей между подсистемами или при новом способе объединения систем.

Пример. Чтобы клей не застывал в трубопроводах при подаче в композиционный бассейн, обеспечивают его рециркуляцию.

Использование вредных веществ или следствий технологии.

Пример. Насосы всегда заглубляются, чтобы поток вязкой среды одновременно служил и подпором, снижая вероятность кавитационного режима.

Удаляемая паровоздушная смесь от сушильной секции рекуперируется и нагревает воду или входящий свежий воздух.

Развертывание технологических схем

В своем развертывании технологические схемы прошли несколько основных этапов. Рассмотрим их на примере БДМ и РПО.

Этап 1 – формирование функционального центра. На этом этапе сформировалась основная функциональная цепочка из подсистем (разволокнение, налив, обезвоживание, сушка, накат). Они выполняли лишь основную функцию изготовления бумаги. Вредные элементы, вещества, процессы, сформированные на предыдущем этапе, подлежало компенсировать. Это дало толчок к развитию подсистем технологических схем. Так, появляется пресс; сушильная часть облекается сушильными цилиндрами; обезвоживающий стол сетками на регистровых валиках. Части системы обвязываются энергетической, функциональной и информационной связью. Это стало очевидным с переходом к полностью непрерывному процессу и увеличением скорости.

Развитие пошло от функционального центра и к периферии. Каждый из основных улов функционального центра начал обрастать своими подсистемами.

Пример. Введение регулирования в каждом основном компоненте.

Появление сукноведущих систем в участке обезвоживания.

Появление напускного устройства между 2-мя основными узлами. Дальнейшее его развитие в напорный ящик.

Появление отсасывающих валов на этом участке. Формирование участка разволокнения в непрерывном режиме.

Включаются дополнительные подсистемы, расширяющие возможности.

Пример. Турбосепаратор в узле разволокнения. Узел очистки и сортирования. Увеличивается число ступеней и уровней в технологической схеме, за счет ее внутрисистемного дробления путем разделения ее на однородные подсистемы либо разнородные разнофункциональные системы.

Пример. Увеличение ступеней сортирования и очистки. Каскады центриклинеров. Разделение очистки на очистку от грубых и легких включений.

Следующим этапом становится переход к ретикулярной сетчатой системе.

Пример. Сигналы обрабатываются в месте их появления, намечается переход от централизованной системы обработки информации к матричной.

Эта возможность также становится явной в связи с заменой основных управляющих связей от механических с переходом к информационным.

Пример. Все пульты управления 60-х годов строились в основном на пневмомеханизмах. В настоящее время характерны электрические сигналы по кабелям. В ближайшем будущем они трансформируются в полевые шины с цифровой передачей сигнала. Уже в качестве каналов передачи управляющих воздействий используют оптико-волоконные кабели со значительно более высокой интенсивностью передачи сигнала. На ряде современных предприятий установлены беспроводные системы передачи данных на основе сотовой связи.

Таким образом, развитие систем поддержки сигнала управления приходит к максимальной идеализации. «Кабеля нет, но его функция выполняется».

В схеме и ее элементах происходит одновременно и создание целых комплексных агломератов, в дальнейшем формирующих надсистему. Так, РПО начинает развиваться как самостоятельный комплекс в составе надсистемы БДМ.

Сначала это объединение из разнородных элементов, дающих новые системные свойства.

Пример. На первом этапе вихревого очистителя использовались решения, пришедшие из технологии центробежных очистителей. В дальнейшем они развивались специально под технологию очистки волокнистых суспензий.

Системы начинают создаваться также и из одинаковых или однородных подсистем.

Пример. Простейший случай – батареи центриклинеров.

В технологические схемы включаются и отдельные участки со сдвинутыми свойствами.

Пример. Так, комплекс очистки, промывки и сортирования, близкий по выполняемым функциям формирует единый технологический поток на предприятиях

В случаях, когда для выполнения функции были использованы несколько путей, и они исчерпываются, происходит их объединение с целью достижения синергетического эффекта. Недостатки каждого способа компенсируются, преимущества складываются.

Пример. Для поддержания рН среды ее сначала избыточно окисляют, а потом снимают остаток щелочной обработкой.

Пример. Поскольку трудно подать точное количество среды, используют переливные устройства, системы рециркуляции, где сначала подают избыток среды, а избыточную часть отводят.

В целом такие решения позволяют повысить именно управляемость и стабильность выполнения технологического процесса, произвольно менять его параметры в широком диапазоне.

Пример. Для получения пара с параметрами влажности в широком диапазоне (насыщенный, влажный, сухой, перегретый) используют редукционно-охлаждающие установки (РОУ) с подачей одновременно и воды и пара.

Свертывание технологических схем

С развертыванием и усложнением технологических схем одновременно идет и процесс их свертывания. Если минимальным свертыванием можно принять создание связей между отдельными узлами, то полным будет установление неразделимых связей.

Пример. Если ранее РОУ (редукционно-охлаждающая установка) состояла из 4-х клапанов подачи воды и пара и форсунки, то теперь они объединены в одном корпусе. Расчет проводится при этом по более сложным формулам, степень повышения качества работы такого РОУ значительно выше, чем РОУ состоящего из нескольких элементов.

Повышение динамичности и управляемости технологических схем

Как говорилось раньше, идеальная технологическая схема – когда ее нет, но ее функция выполняется. Важной частью процесса перехода к идеальной системе является повышение ее динамичности и управляемости, т.е. способность к целенаправленным изменениям, обеспечивающих улучшение адаптации, приспособление системы к меняющейся и взаимодействующей с ней средой. Важнейшим способом устранения противоречий в системе является превращение постоянного неизменного параметра в переменный, управляемый. Так, в технологическую схему могут встраиваться различные новые и сменные элементы.

Пример. Расходное оборудование в технологическом оборудовании.

– сита в сортировках,

– гарнитура и ножи у размольных мельниц,

– модульное и блочное исполнение элементов автоматизации для легкой смены и установки более совершенных новых элементов.

Увеличивается степень степеней свободы.

Примеры. Важнейшим принципом в регулировании становится возможность расширения диапазона регулирования.

Регулирующий клапан MBV серии Neles в настоящее время выполняется с изменяемой шарнирной связью между штоком и поворотным затвором, тогда как раньше это была единая литая конструкция (серия Р).

Уплотнение в клапане в настоящее время выпускается в версии повышенной эластичности, способной выдержать значительно большее число циклов, чем предыдущая версия.

Если раньше использовались крупные резервные емкости для обеспечения надежности и непрерывности технологического процесса, то в настоящее время это делается все больше и больше средствами автоматического регулирования.

Происходит переход на микроуровень.

Примеры. Химизация обработки массы при применении все большего и большего числа химикатов.

Элементы технологических схем имеют тенденцию к уменьшению размеров за счет применения все большего числа видов физико-химической обработки материала.

Пример. Электрическое поле, приложенное к топливу перед подачей его в форсунку СРК или котел, позволяет до 15% получить большую эффективность горения и формирования факела.

Пример. Для точного регулирования используют основной регулирующий контур, осуществляющий грубое регулирование и малый контур, сопряженный с первым для осуществления окончательного регулирования.

Видится и переход к системам, в которых изменяются и становятся динамичными различные воздействующие на процесс поля.

Пример. Гидрокавитатор с применением полей сжатия и разрежения позволяет лучше фибриллировать волокна перед обработкой.

Пример. Вихревой очиститель с применением центробежных сил обеспечивает лучшее отделение тяжелых и легких включений.

Пример. Понимание реологии истечения суспензий позволяет спроектировать лучшие напорные ящики, обеспечить лучшее регулирование и т.п.

Пример. Регулирование входных и выходных давлений в сушильном цилиндре позволяет снизить неуправляемое появление конденсата внутри с образованием конденсатного кольца, снижающего теплопроводность и эффективность сушки бумаги.

Пример. Для высокоточного регулирования веса м² используют информационное поле (специальные подпрограммы и алгоритмы устранения колебательности контура регулирования).

Тенденция разделения на быстропротекающие и медленно протекающие процессы в настоящее время с переходом к непрерывности процесса все больше будет склоняться в сторону быстропротекающих процессов. Для этой цели в технологический процесс и технологические схемы будут вводиться специальные узлы и вещества, способствующие ускорению реакций. Также будет происходить и замена периодически действующего оборудования.

Пример. Гидроразбиватель периодического действия имеет цикл до 15 мин. Барабанный гидроразбиватель работает непрерывно.

Повышение управляемости технологических схем

Предусматривает:

Принудительное управление в виде введения управляющих веществ и устройств.

Примеры. Введение регулирующей и запорной арматуры на прежде нерегулируемых участках.

Пример. Введение управляющих полей – например, в датчиках концентрации, где оптическое поле позволяет работать в области низких концентраций, и где применение механические полей невозможно.

Введение хорошо управляемого процесса, действующего против основного, которым нужно управлять.

Пример. Введение катализаторов, ингибиторов.

Введение подпора и противодавления.

Введение термоциклирования. Введение гидрокавитаторов.

Циклы ускорения процесса, его замедления, нагрева-охлаждения, повышения числа рН или уменьшение (кислотности – щелочности).

Введение самоуправления и самообслуживания.

Пример. Концентрация среды, изменяя давление и нагрузку в рафинере, позволяет лучше управлять размолом.

Введение обратных связей – наиболее характерный способ избежать колебаний в процессе. Замыкание контуров, смыкание контуров для взаимоконтроля или получения показаний от одного контура к другому – одно из наиболее эффективных решений.

Примеры. Специальные подпрограммы в системе автоматизации, координирующие действия контуров между собой.

Изменение устойчивости

От системы с одним статически устойчивым состоянием в системе осуществляется переход с несколькими устойчивыми состояниями и далее к системам, устойчивым динамически.

Пример. Стабильность техпроцесса технологи ставят выше качества его выполнения. Среднее качество при стабильном процессе лучше, чем нестабильное при высоком качестве выходного продукта.

Формирование устойчивости за счет движения, проходящего через систему, потока энергии, информации, управления. В идеале, как и в современных самолетах, устойчивость будет нулевой, а стабильность и безопасность работы будет обеспечиваться непрерывной работой автоматов и регулирующих воздействий. Этим обеспечивается максимальная динамичность.