Читать книгу Курс «Регулирующая арматура в системах автоматизации» - Станислав Львович Горобченко - Страница 7

Ниже мы попытаемся описать, как законы развития технических систем проявляются в развитии арматуры.

ЗАКОН ПЕРЕХОДА В НАДСИСТЕМУ

Заключается в том, что со временем отдельные подсистемы становятся частью самой системы, полностью интегрированной в нее.

Еще не так давно на предприятиях ЦБП можно было встретить сборные клапаны, где преобразователь и концевой выключатель, а также электронный блок были отдельными элементами системы регулирования. В настоящее время они скомпонованы в едином узле «позиционер».

Далее разрабатывались новые конструкции, где позиционер и привод стали единым целым, без транспортного звена, задающего дополнительные «помехи» в процесс регулирования.

Совмещенный привод с позиционером все чаще ложатся непосредственно на клапан без промежуточных хомутов, и обеспечивается надежная связь между ними. Цель – полное устранение возмущений, привносимых транспортными и передаточными участками, неправильной установкой, вибрациями, воздействующими на отдельные узлы по-разному.

Все больше клапан соответствует требованиям надсистемы системы регулирования – технологическому процессу. В этом случае, клапан может сам себя поверять на соответствие требованиям технологического режима, конструкции клапана лучше учитывают требования по среде, давлению, расходу, стойкости к коррозии, абразивному и эрозионному износу, кавитации и сопротивлению отдельным вредным явлениям – гипсации, карамелизации и др.

ЗАКОН ПОВЫШЕНИЯ ИДЕАЛЬНОСТИ И РЕГУЛИРУЕМОСТИ СИСТЕМЫ

Проявляется в том, что развитие регулирующих клапанов все больше отвечает развитию клапана в составе измерительного комплекса – повышается точность выполнения задания, вводятся понятия и математическое и аппаратурное обеспечение метрологической надежности выполнения задания, прогнозирующие механизмы устранения погрешностей и др.

Из технологических схем все чаще устраняются шиберные задвижки или они устанавливаются на участках, где они являются единственной альтернативой. Причина – шиберная задвижка не может быть автоматизирована для целей регулирования, т.к. на ней практически невозможно получить регулирование с высокой степенью линейности, что является идеальной характеристикой регулирования.

Переход к принципиально новой системе будет происходить тогда, когда регулирующий клапан и клапанный узел станет в большей степени развиваться в составе измерительного комплекса, а часть его функций или аппаратурного оформления будет заменяться программным обеспечением с возможностью прогнозирования. Уже сейчас это заметно на наиболее совершенных клапанах, например, клапане регулирования веса м2 NelesACE, способного проводить регулирование по расчетному алгоритму на основе математической программы, обеспечивать отсутствие перерегулирования на переходных режимах и др.

ЗАКОН ВЫТЕСНЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА ИЗ СИСТЕМЫ

Закон характерен тем, что вытеснение человека происходит на нескольких уровнях – исполнительном, преобразовательном, с уровня исполнения и информационного уровня. Сегодняшнее положение дел можно охарактеризовать тем, что вытеснение человека происходит с преобразовательного уровня на уровень управления (АСУ ТП) и с уровня управления на информационный уровень (переход к ИИС – информационно-измерительным системам). Происходит замена интуитивных и аппаратных решений математикой, программным обеспечением, способным прогнозировать поведение системы.

Далее происходит поэтапное вытеснение человека из системы в следующей последовательности.

Вытеснение человека из каждого из элементов клапанного узла

вытеснение человека как источника энергии\движителя

Пример. Вытеснение седельных клапанов и шиберных задвижек поворотными дисковыми затворами. Наблюдается постоянное вытеснение шиберных задвижек из технологического процесса. Длительное время они оставались часто используемыми, поскольку их движением легко было управлять. Также седельные клапаны легко управлялись простым перемещением штурвала с незначительным усилием, которое могло производиться человеком. Замена седельных клапанов или шиберных задвижек на поворотные заслонки, где требуется значительно более сильное поворотное усилие\момент, привело к машинному способу перемещения, где в помощь штурвалу всегда используется специальный редуктор, передающий усилие.

Пример. Вместо мускульной силы стал использоваться пневмо или электропривод.

Пример. Вместо оператора для задания сигнала используется позиционер, точно знающий положение клапана и способный обеспечить его перемещение на правильный угол.

Вытеснение человека между уровнями

Пример. Переход к компактным конструкциям «клапан – привод – позиционер» больше не требует большей части монтажа при помощи специальных трубок. Наличие интеллектуального ND позиционера все меньше требует контроля со стороны системы АСУ ТП (DCS), при этом на пути сигнала стоит все меньше помех, меньше требуется нормо-часов на обслуживание, быстрее выявляются потери, погрешности, неисправности и др.

Вытеснение с уровня управления и информации

Пример. Этот процесс наиболее выражен в том, что клапан все больше и больше может себя диагностировать, тем самым вытесняя «дядю Васю» из процесса. В целом, функции, которые при ремонте были свойственны человеку, например, анализ неисправности, ее установление, рекомендации по ее устранению, т.е. "что необходимо сделать", все больше анализируются специальной программой типа FieldCare.

ЗАКОН ПОВЫШЕНИЯ ДИНАМИЧНОСТИ И УПРАВЛЯЕМОСТИ

Наиболее эффективно проявляется в системах регулирования. Примеры: повышение степени автоматизации, повышение степени непрерывности процесса регулирования за счет постоянного управления, за счет последовательного перехода по следующим этапам (примеры приведены из анализа техники компании Метсо):

Рост мультифункциональности

Пример. Например, за счет увеличения откликаемости клапана на различные возмущающие действия. Так, программа Nelprof способна рассчитать различные положения клапана при различных расходах, давлениях, температуре среды и дать оценку работоспособности клапана, его критические зоны, переход в кавитационный режим, выход из линейной зоны регулирования и др.

Рост числа сменных рабочих органов

Пример. Клапан Neles Rotary Globe имеет до 11 затворов, рассчитанных на разную пропускную способность и которые могут быть установлены в одном корпусе. Позиционер ND9000 имеет несколько типов золотников, рассчитанных на различный расход воздуха и различную скорость и мощность перемещения.

Рост числа элементов с программным принципом выполнения функций

Пример. Программирование перемещения клапана уже производится программируемым контроллером типа NP и ND по заданным значениям сигнала управления.

Пример. Этот же принцип проявляется в том, что клапан в автоматического исполнении, в отличие от ручного клапана, отвечает на запросы системы, сам быстро и эффективно обеспечивая регулирование. Кроме того, системы диагностики, встроенные в клапан, сразу могут сообщать о первых признаках неполадок, тем самым нет потерь, в отличие от «небыстрого» принятия решений человеком.

Пример. Специальные решения клапана и заложенная математика способна устранить такой дефект клапана как перерегулирование, за счет просчета параметров клапана в момент переходного режима.

Переход к системе с изменяемыми рабочими органами

Пример. Если требуется, чтобы клапан работал как в антикавитационном режиме, так и в обычном режиме, то может быть применена легко монтируемая насадка типа Q-Trim. Внутренняя начинка клапана может быть полностью перерасчитана и полностью изменена для соответствия новым условиям среды, давления, технологического режима и др.

Увеличение числа степеней свободы

Характеризуется переходом от нединамической системы к системе, имеющей механические шарниры, механизмы, гибкие материалы. Далее появляются системы, изменяющиеся на микроуровне – фазовые переходы, химические превращения и др. и далее системы с изменяющимися полями.

Пример. Вместо жесткого крепления шарового затвора клапана серии Р, в настоящее время используется гибкая связь серии М.

Пример. В клапанах Jamesbury, чтобы выдержать огромное число циклов, используется специально разработанный эластичный материал седла X-Treme, стойкость которого может составлять до 3 млн. циклов, когда стойкость обычного материала (резины) составляет не более 5000 циклов.

Пример. В дальнейшем можно ожидать изменения рабочих органов на соответствие, например, различным пульсациям с возможностью их гашения, например, отстройки собственной частоты вибрации клапана от характерных для потока, применением специальных вибродемпфирующих сплавов и др.

Повышение управляемости

От неуправляемой системы к системе с принудительным управлением и системе с самоуправлением.

Пример. От управления человеком к его вытеснению при помощи аналогового позиционера с принудительным управлением от DCS и к самоуправлению при использовании цифрового интеллектуального позиционера ND 9000, имеющего возможность, как самодиагностики, так и в дальнейшем самодиагностики на точность регулирования и соответствие меняющемуся технологическому режиму.

Рост степени динамической управляемости и статической неустойчивости системы

От статически устойчивой системы к системе с несколькими устойчивыми состояниями к динамически устойчивой системе и далее к абсолютно неустойчивой системе.

Пример. На старых предприятиях ЦБП используют в основном клапаны с ручным управлением. При этом качество процесса регулируют в основном за счет того, что используется только один вид сырья, имея при этом большие потери. При переходе на выпуск нескольких сортов бумаги некоторые контуры регулирования (в основном через клапан регулирования веса м2) уже приходится автоматизировать. В противном случае потери будут слишком велики.

Полностью автоматизированная система соответствует в принципе динамически устойчивой системе, где клапаны должны откликаться на воздействие от центральной DCS. Технологический процесс при этом характеризуется высокой колебательностью, высокими скоростями, сложной композицией, частыми сменами сорта и др. В варианте перехода к неустойчивой системе функции регулирования, уменьшения пульсаций, лучшей самодиагностики, настройки, калибровки уже передаются клапану, который и обеспечивает функционирование в условиях все возрастающей неустойчивости системы.