Реализация систем регулирования
Выходное давление элемента
4 поступает на усилитель мощности 5 и через сопло С1, выключающего реле 6, служит для отключения регулятора при переходе на ручное управление. Для гашения автоколебаний, возникающих в системе, в элемент сравнения 4 вводятся две обратные связи: положительная в камеру В и отрицательная в камеру Г. Автоколебания, возникающие в случаях нарушения равновесия системы, затормаживаются с помощью постоянного дросселя ПД2, включенного в линию положительной обратной связи. По требованию заказчика регулятор может быть настроен на один из следующих пределов пропорциональности: 5-И00,10+300,40+500, 100+1000, 150+1500,500-5-3000%.
Если пределы пропорциональности не указаны, регулятор поставляют со шкалой 10+300 %. Габаритные размеры регулятора равны 114,4х86х 169 мм.
Пропорционально-интегральный регулятор ПР-3.21
Регулятор ПР-3.21 предназначен для получения непрерывного регулирующего воздействия на исполнительный механизм с целью поддержания заданной величины регулируемого параметра.
Пропорциональное звено регулятора (рис. 39) состоит из элемента сравнения 5 и сумматора 6, интегральное звено из элемента сравнения 1, дросселя 2, емкости 3 и выключающего реле 4. Измеряемое давление Р„ подводится к камерам Д элемента 1 и Г элемента 5, давление от задатчика Р, к камерам Б элемента 1 и В элемента 5. Суммарное действие на выходное давление пропорциональной и интегральной составляющих обрабатывается элементом сравнения 7.
Пропорциональная составляющая регулятора ведется путем воздействия на отрицательную обратную связь, степень ее воздействия настраивается регулируемым дросселем сумматора. Интегральная составляющая вводится путем на положительную обратную связь, степень ее воздействия настраивается дросселем 2 в пределах от 3 с до 100 мин.
Давление, обрабатываемое элементом 7, поступает на вход усилителя мощности 8, а затем через выключающее реле 9 на выход прибора. Назначение последних двух элементов идентично назначению этих элементов регулятора ПР-2.5.
Выключающее реле 4 предназначено для предохранения линии исполнительного механизма от скачка давления в промежуточном значении переключателя, когда изменение задания вызывает резкое изменение выходного давления элемента 1. Регулятор может быть настроен на те же пределы пропорциональности, что и регулятор ПР-2.5. Глубина регулятора 137 мм.
Реализация систем регулирования
Сущность основных законов регулирования для лучшего усвоения изложена на примерах простейших регуляторов прямого действия. Уже говорилось, что в условиях НПЗ наиболее распространены пневматические регуляторы непрямого действия. Основу их составляют регулирующие блоки системы Старт, созданные на базе универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА).
Число элементов УСЭППА относительно невелико, каждый из них решает несложную задачу, однако соединение их определенным образом позволяет получить множество различных устройств пневмоавтоматики. К основным элементам относятся сумматоры (элементы сравнения), усилители, повторители, емкости, дроссели и т. д.
Конструктивно схемы на элементах УСЭППА представляют собой плату из оргстекла, на которой закреплены элементы. Связь между ними осуществляется через воздухопроводящие каналы, проложенные внутри платы.
Для питания схем на элементах УСЭППА используется очищенный от пыли, влаги и масла сжатый воздух давлением 140 кПа. В работе активных элементов, которым требуется воздух питания, используется принцип компенсации сил, т. е. перемещения всех подвижных узлов (мембран, клапанов, пружин) чрезвычайно малы, что обеспечивает их высокую чувствительность.
Схемы пневмоавтоматики могут работать в аналоговом или дискретном режимах. По структуре регулирующие блоки Старт представляют собой совокупность типовых пневматических динамических звеньев, соединенных надлежащим образом.
Ниже показано (упрощенно), как можно реализовать известные законы регулирования, взяв за основу один из элементов УСЭППА элемент сравнения.
На рисунке 40а пояснен принцип работы позиционного регулятора на основе трехмембранного элемента сравнения. В камеры, ограниченные сверху и снизу мембранами, подаются пневмосигналы.
При наличии разности давлений в камерах сборка перемещается.
Если, например, Р„ Р, (где Р„ сигнал переменная от пневмодатчика регулируемого параметра, а Р3 сигнал задание от пневмозадатчика), то сборка смещается вниз, так как эффективная (рабочая) площадь средней мембраны больше, чем крайних. Жесткие центры крайних мембран играют роль заслонок относительно верхнего и нижнего сопел.
При смещении сборки вниз верхнее (впускное) сопло открывается, и воздух питания через него и камеру Г поступает на выход. Одновременно нижнее сопло (выпускное) закрывается. В результате этого в линии выхода скачком устанавливается давление воздуха Рвых = Ртт.
При Р„ Р1 сборка смещается вверх, сопла переключаются, и воздух из линии выхода сбрасывается в атмосферу, т. е. устанавливается Рвых = 0. Для быстрой передачи сигналов на исполнительный механизм на выходе регулятора имеется пневмоусилитель мощности ПУМ. Двухпозиционный режим работы элемента
сравнения в данном случае обусловлен отсутствием равновесия действующих на мембранную сборку сил, поэтому небольшой разности Р„ - Рз достаточно для перевода сборки в одно из крайних положений, так как рабочий ход ее очень мал.
Рис. 40. Упрощенные схемы позиционного (а) и пропорционального (б) регуляторов на базе элементов сравнения (УСЭППА): А, Б, В, Г, Д, Е, камеры; Д1,Д2 регулируемый и постоянный дроссели; ПУМ усилитель мощности
Сущность получения П-закона регулирования можно пояснить на рисунке 406. Пятимембранный элемент сравнения охвачен отрицательной обратной связью по выходному сигналу.
Воздух с выхода подается на вход в минусовую камеру Б через делитель давления, состоящий из регулируемого дросселя Д1 и постоянного Д2. Выходной сигнал создает на мембранной сборке усилие, уравновешивая усилие от разности давлений Р„ - Р„ т. е. входного сигнала. В этом случае элемент сравнения работает согласно уравнению:
Р.„=К(Р"-Рі\
где К коэффициент усиления.
Значение коэффициента усиления зависит от степени открытия дросселя Д1: при полном открытии К=1, при закрытии К увеличивается. Если дроссель закрыть полностью, то обратная связь исчезнет, и элемент будет работать в двухпозиционном режиме.
Пятимембранный элемент сравнения используют и для получения И-закона регулирования. Схема включения его соответственно изменяется и дополняется другими элементами УСЭППА.
В регулирующих блоках Старт, сформированных в соответствии с реализуемым законом регулирования, выходной сигнал усиливается по мощности, а затем поступает в переключающее реле, которое позволяет при необходимости отключать регулирующий блок и управлять пневматическим исполнительным механизмом (ПИМ) дистанционно вручную. Для этого в камеру А реле подается сигнал переключения при давлении 140 кПа, и мембранная сборка смещается вверх.
Сопло 1 закрывается, отсекая выходной сигнал регулятора, а сопло 2 открывается, и через камеру 5 в линию ПИМ поступает воздух управления от ручного задатчика. Обратное переключение происходит под действием пружины 3 при сбросе воздуха из камеры А.
К основным регулирующим блокам Старт относятся: ПР-2.8 (П-регулятор), ПР-3.31 (ПИ-регулятор), ПР-3.33 (ПИ-регулятор соотношения двух параметров), ПР-3.34 (то же, с коррекцией по третьему параметру) и др. Для получения ПИД-закона регулирования совместно с ними может использоваться блок предварения ПФ-2.1.
Двухпозиционный блок ПР-1.5 применяют в схемах автоматической сигнализации, блокировки и защиты.
Автоматические системы регулирования на базе регуляторов Старт
Пневматические регулирующие приборы реализуются по схеме последовательного включения корректирующих звеньев и пропорционального регулирующего органа. Интегральная составляющая ПИ-закона регулирования в пневматических регуляторах реализуется с помощью положительной обратной связи (с коэффициентом усиления 1), охватывающей инерционное звено (пневмоемкость).
Многие годы промышленность выпускала пневматические регулирующие приборы агрегатной унифицированной системы (АУС), построенной по блочному принципу, где каждый блок является самостоятельным прибором.
В настоящее время систему АУС заменяют регулирующими приборами системы Старт, построенной по элементному принципу на базе универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА). Однако регулирующие приборы системы АУС еще широко применяют в системах автоматизации химических и целлюлозно-бумажных производств.
Регуляторы
Регулирующие приборы системы Старт (ПР-3.21, ПР-3.23 и ПР-3.24) собраны из элементов системы (УСЭППА). Основными элементами УСЭППА являются пневмосопротивления (пневмодроссели), пневмоемкости и усилители, построенные на узлах сопло-заслонка.
Для упрощения чтения схем на пневмоэлементах введены условные обозначения.
В пневмоусилителе с двумя входными Рі и Рі мембранный блок содержит три мембраны 2 и четыре камеры 1. Усилитель имеет два узла сопло-заслонка, через узел 4 подается давление питания, а узел 3 соединен с атмосферой.
Узлы сопло-заслонка соединены между собой пневмопроводом так, что образуют цепочку из двух переменных сопротивлений, соединяющих питающую магистраль с атмосферой. От соотношения проводимостей этих сопротивлений зависит уровень выходного сигнала давление Рвых в линии, связывающей оба сопротивления. Величины этих сопротивлений определяются положением мембранного блока, так как его торцы используются в качестве заслонок. Это приводит к тому, что при перемещении мембранного блока возрастание одного сопротивления сопровождается одновременным уменьшением другого.
Положение мембранного блока в свою очередь определяется значением входных сигналов Ри Рг.
Элементы УСЭППА, собранные в простейшие схемы, образуют модули, с помощью которых собирают различные функциональные схемы секции. Такие секции представляют собой регулирующие приборы ПР-3.21, ПР-3.23, ПР-3.24.
Регулирующий прибор ПР-3.21 (рис. 41) состоит из двух модулей (модуля интегрирования и модуля умножения и суммирования) и переключающего реле, предназначенного для отключения регулятора при дистанционном управлении клапаном и для бестолчкового перехода на автоматическое управление с дистанционного, и наоборот. Реле управляется давлением Команда с переключателя вторичного прибора.
Регулятор ПР-3.21 реализует ПИ-закон регулирования.
Рис. 41. Структурная схема пневматического регулирующего прибора
Модуль интегрирования (рис. 42) собран на пятимембранном пневмоусилителе, переменном дросселе и пневмоемкости. Пятимембранный элемент имеет четыре глухих камеры (Б, В, Г и Д).
Мембраны этих камер соединены жестко стержнем.
Р пит 1 4 кгс/см2 подается через верхнее сопло в камеру Е. Нижнее сопло камеры А соединено с атмосферой. Под действием давления в плюсовых камерах Д и В стержень стремится переместиться вниз, открывая верхнее сопло подачи Р„ит и прикрывая выход в атмосферу. При этом давление на выходе элемента будет возрастать. Под действием давления в минусовых камерах Г и Б давление на выходе будет уменьшаться.
Площади мембран всех камер одинаковы. Давление Р от первичного преобразователя подается в камеру Д, давление Рим камеру Б, давление Р в камеру Г, т. е. элемент охвачен по выходу жесткой отрицательной обратной связью с коэффициентом усиления 1. Если из-за разности давлений в камерах Д и Б (Р~ Р3ад) выход Р с элемента начнет расти, то одновременно возрастет давление в камере Г, которое будет стремиться уменьшить Р. Когда в камере В давление отсутствует, то момент равновесия наступит при условии
P~ FРзад F = Р F; где Р эффективная площадь мембраны, Т. в. Р = Р~ - Рзад-
С изменением давления Р начинает постепенно изменяться давление Ри в пневмоемкости V. Если бы пневмоемкость не была соединена с камерой В, то Ри изменялось бы по экспоненте до значения, равного Р. Но за счет введения положительной обратной связи по давлению Ри и по мере изменения Р„ изменяется давление в камере В а, следовательно, и давление Р. Таким образом, в любой момент соблюдается соотношение Р~~ Рюд + Ри = Р, или Р Ри Р~ Р30д.
Из последнего равенства видно, что перепад на дросселе Ти ДР = Р - Ри всегда равен Р~. Следовательно, если Р~ не изменяется, то ДР и расход воздуха через дроссель в пневмоемкость постоянные.
Поэтому давление в пневмоемкости Ри будет изменяться с постоянной скоростью. Для небольших значений Р_, можно считать, что расход воздуха через дроссель, а следовательно, и скорость изменения давления Ри прямо пропорциональны величине Р.-
Величину пропорциональности можно изменять степенью открытия дросселя Тв. Чем выше проводимость (открытие) дросселя, тем больше расход через него, а следовательно, выше скорость изменения Р„ при одном и том же входном сигнале. Если Р~ станет равным нулю, то давление Р уменьшится на
Р = Р. - Р3ао и перепад на дросселе Ти, а следовательно, и расход через него станет равными нулю. Давление Р„ с этого момента будет неизменным.
Это установившееся давление в момент равновесия интегратора будем в дальнейшем обозначать Р0.
Необходимое условие для постоянства Р„ полная герметичность пневмосистемы на участке после переменного дросселя Ти. Действительно, если в пневмоемкости имеется утечка, то Р0 будет постепенно уменьшаться.
Эта утечка не будет компенсироваться подпиткой через дроссель, так как при падении Р0 всегда будет соблюдаться условие Р = Р„, т. е. при отсутствии входного сигнала на интегратор выход Р„ остается постоянным за счет того, что он подан в камеру В положительной обратной связи и интегратор оказывается как бы замкнутым сам на себя без посторонней стабилизации.
Направление изменения давления выхода зависит от полярности входного сигнала, а скорость от величины сигнала и установленной проводимости дросселя Ти. Головка дросселя оцифрована в значениях устанавливаемого времени интегрирования.
Численно Ти равняется времени, за которое давление выхода с интегратора изменяется на величину сигнала.
В модуле умножения и суммирования (рис. 43) давление Р~ подается в минусовую камеру Г пятимембранного элемента, давление Рма в плюсовую камеру В. Давление с интегратора Ри подается одновременно в плюсовые камеры элементов 1 и 2. Элемент 1 охвачен по выходу единичной отрицательной обратной связью через камеру Б и давление, с него через переменный дроссель делителя ДД подается в минусовую камеру Б элемента 2. Элемент 2 и повторитель 3 охвачены отрицательной обратной связью через постоянный дроссель делителя ДД и, следовательно, выход с повторителя 3 РвЫх является давлением выхода со всего модуля умножения и суммирования. Кроме того, повторитель 3 и элемент 2 через камеры Г и В охвачены жесткой отрицательной и положительной обратными связями.
В статике эти две обратные связи взаимно компенсируются, в переходном режиме они улучшают динамические свойства модуля, устраняя возможные автоколебания.
На элементе 1 давления Р30д, Р~, Ри суммируются. Равновесие элемента 2 наступит, когда давление в камере Б станет равным Ри, т. е. Рг = Ри-
Рассмотрим различные состояния модуля. В случае его равновесия Р- = Р-ш0\ Ри = Ро. На выходе элемента давление Р\ станет равным Ро- Выход с повторителя будет изменяться до тех пор, пока давление Р2 не станет равным Ро, что возможно лишь при условии, когда Ршх - Ро- Действительно, если перед дросселем давление Рх = Р0, то для того чтобы давление в середине делителя было также Ро, необходимо отсутствие расхода через ДД.
Для этого перепад давлений на ДД должен быть равен нулю. Это возможно только в случае, если давление перед дросселем у также будет равно /V
Степень открытия переменного дросселя не влияет на Рвых, так как перепад на дроссельном делителе равен нулю. Но для этого необходима хорошая герметичность дроссельного делителя и участка соединения его с камерой Б элемента 2. При утечке давление Рвт будет больше, чем Ро, и на величину Рвых будет сказываться степень открытия дросселя а.
Если на регулятор подан входной сигнал Р~ Рза0, а давление с интегратора равно Ро (т. е. дроссель Ти интегратора полностью закрыт), Рі на выходе элемента 1 перед переменным дросселем а будет: Р\ - Ро - (Р~ - Рзаь), т. е. оно уменьшится на величину входного сигнала. Давление Рг также вначале уменьшится.
Из-за этого станет увеличиваться давление на выходе элемента 2 до тех пор, пока давление Рвых не возрастет настолько, что давление Рг станет равным Ро и элемент 2 уравновесится.
Таким образом, при подаче на вход модуля сигнала АРвх = ~(Р~ - Рзад)- Давление перед делителем уменьшается на величину АРі, и выход с модуля возрастает на величину АРвых, необходимую для получения между дросселями делителя прежнего давления Ро.
Отношение АРвх /АРвых будет зависеть от степени открытия дросселя а. Если дроссель полностью закрыть, то ДРвх не изменит давления Р2, равного перед этим Ро, и выход останется равным Ро. Модуль будет лишь повторять сигнал Ри интегратора.
Это означает, что коэффициент усиления сигнала Р - Р ШО равен нулю.
Если дроссель а открыт так, что его проводимость намного больше проводимости постоянного дросселя у, то сигнал уменьшит давление Р2 на АР2, близкое по величине к АРвх. Чтобы скомпенсировать изменение АР2, Рвых должно измениться на величину АРшх значительно большую, чем АРЯХ.
В этом случае коэффициент усиления сигнала АРвх будет достаточно большим.
Следовательно, модуль повторяет давление Ри, добавляя к нему величину Р~ - Р,ад, численно равную отношению к проводимостям переменного а и постоянного у дросселей
К = а/у.
Отличительная особенность регулятора ПР-3.21 от регулятора 4РБ-32А состоит в том, что время интегрирования Т„ для регулятора ПР-3.21 и время изодрома Тиз для регулятора 4РБ-32А не идентичны. Объясняется это тем, что в регуляторах 4РБ-32А при изменении диапазона дросселирования 5 изменяется одновременно и время изодрома, т. е. настройки регулятора связаны друг с другом, а в регуляторах ПР-3.21 -настройки развязаны.
Методы расчета настроек позволяют получить оптимальные величины д и Гиз, поэтому для расчета настроек регулирующих приборов системы Старт необходимо Тиз пересчитывать на Т„. Так, если в результате расчета получили д„пт и Ту, опт, то на регуляторе необходимо установить 5 = 50ПТ, а Т„ = Тіа опт ¦ 6 опт/100.
Например, в результате обработки кривой разгона объекта и расчета настроек получили д„т = 30%; ТизоПт= 1,2 мин.
На регуляторе ПР-3.21 необходимо установить д = 30%; Т= 1,2-30/100 = 0,36 мин.
Регулирующий прибор ПР-3.21 сделать пропорциональным нельзя из-за невозможности полностью герметизировать схему. Если установить 6 = 3000%, то прибор ПР-3.21 будет интегральным (что невозможно в приборах АУС). В этом случае при динамической настройке необходимо пользоваться формулами для И-регулятора.
Элемент настройки И-регу-лятора коэффициент пропорциональности ер численно равен Ер = 1/Т„.
Регулирующий прибор ПР-3.23 используют для поддержания соотношения двух параметров на заданном постоянном значении. Например, задано, что расход газа по одному трубопроводу должен быть строго в 0,8 раза больше расхода газа в другом трубопроводе.
Регулятор соотношения получает сигнал от первичных преобразователей расхода и воздействует на один из расходов (ведомый) так, что соотношение расходов газа по трубопроводам всегда сохраняется постоянным (например, 0,8).
Прибор ПР-3.23 (рис. 44а) состоит из двух частей: соотношения и регулирования.
Регулирование представляет собой регулирующий прибор ПР-3.21.
Давление Рг и Рі от первичных преобразователей поступают к одному из полюсов дроссельных делителей 1 и 2. Каждый делитель состоит из постоянного и регулируемого дросселей, соединенных между собой последовательно. Второй полюс делителей соединен с задатчиком. Делители позволяют точно установить заданное соотношение между регулируемыми параметрами
С = K1 P-Q'2
Kl' 0,8 ’
где Кі и Кг коэффициенты, устанавливаемые на делителях 1 и 2 (изменяются от 1 до 0,2);
Рк корректирующий сигнал от задатчика, изменяется от 0,2 до 1;
0,2 и 0,8 постоянные коэффициенты.
Рис. 44. Поверка регуляторов:
а регулирующий прибор ПР-3.23 соотношение параметров; б принципиальная поверочная схема стенда поверки регулятора на базе регулятора ПР-3.21
Поверка регуляторов
При поверке следует учитывать, что регуляторы системы Старт работают в комплекте с любыми первичными преобразователями ГСП, а в качестве вторичных применяют приборы системы Старт с встроенными станциями управления.
Для увеличения быстродействия систем при длине трасс более 150 м устанавливают промежуточные усилители пневматического сигнала.
На (рис. 446) показана принципиальная поверочная схема регулирующего прибора ПР-3.21, по которой выполняют стендовую поверку.
Устанавливают регулятор на стенд ЛТ-25, подают питание и проверяют герметичность всех пневмолиний.
Проверка контрольной точки заключается в определении разности между сигналом Р,ад иРл момент равновесия регулятора. Так как регулятор охвачен отрицательной безынерционной обратной связью с коэффициентом усиления единица, то Р~ автоматически установится равным Рш- Для проверки контрольной точки ручки дросселей а и Г„ устанавливают на значении соответственно 5% и 0,05 мин.
Задатчиком, установленным на стенде, последовательно изменяют задание от 0,2 до 1 кгс/см2 и обратно При этом в любой точке диапазона изменения Рза0 разность Р,ад - Р~ должна быть не более 0,08 кгс/см2.
Если для проверки используют образцовые манометры на 1,6 кгс/м2, то при изменении задания по шкале манометра от 12,5 до 62,5 деления разница в показаниях Рщ, - Р не должна превышать половины большого деления манометра
Смещение контрольной точки при изменении диапазона дросселирования д проверяют следующим образом Устанавливают PJad = 35 деления шкалы манометра и после успокоения регулятора ручку дросселя Т устанавливают на отметку 5. При изменении значения д от 5 до 3000% разность Рзао - Р~ должна быть не более трех делений по манометру.
При проверке дросселя Ти повторяют операции по проверке смещения контрольной точки при Ти равном 0,5; 1,0 и оо. В этом случае время, за которое Р,ых станет равным Рзаь, должно соответственно увеличиваться.
Если в результате проведенных проверок окажется, что их результаты отличаются от требуемых, устраняют неисправности регулятора. Так, если смещение контрольной точки выше допустимого и непостоянно, проверяют герметичность поверочной схемы и подтягивают крепления элементов регулятора.
Если смещение выше допустимого и постоянно, это значит, что рассимметрирован интегратор.
Если при вращении дросселя Ти скорость уравновешивания регулятора не изменяется, затягивают винты крепления дросселей Ти и а, для чего снимают шкалы дросселей. Для выравнивания характеристик дросселей Ти и а при снятой шкале штифтами дросселей регулируют плавность профиля плоских пружин дросселей.
Если Рвых изменяется при вращении дросселя а от 5 до 3000% более чем на 23 деления шкалы манометра, значит рассимметрирован элемент VI (рис. 46) регулятора.
При настройке элементов I, IV и VI учитывают, что элементы I и VI работают в режиме сравнения, а Г? в режиме суммирования.
