Абдулин АВТОМАТИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Министерство образования Российской Федерации
Омский государственный технический университет



С. Ф. Абдулин


АВТОМАТИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Учебное пособие




















Омск 2002
АВТОМАТИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ: Учебное пособие /
С.Ф. Абдулин. – Омский государственный технический университет: Омск, изд-во ОмГТУ, 2002. – 150 с.

Рассмотрены основные понятия и элементы автоматических и автоматизированных систем управления, даны основные понятия метрологии и техники измерений, общие принципы построения и основные характеристики измерительных преобразователей и средств автоматизации, применяемых в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.
Приведены элементы теории, принципы и техника построения и применения автоматических систем регулирования (АСР) и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической промышленности, производства синтетического каучука. Даны элементы техники проектирования схем автоматизации.
Для студентов обучающихся по специальности 250100 «Химическая технология органических веществ».


Рецензенты:
зав. каф. Технологии органических веществ ОмГТУ,
д-р техн. наук, профессор, академик МТА РФ, И.В. Мозговой
зав. каф. Автоматизации производственных процессов
и электротехники СиБАДИ, д-р техн. наук, профессор,
академик РАЕН В. С. Щербаков
начальник службы ИТАТ ОНПЗ А. В. Говядинов

Рекомендовано научно-методической комиссии кафедры ТОВ ОмГТУ
____________________________________© Омский государственный технический
университет

СОДЕРЖАНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ
Основные понятия об объектах и системах автоматического управления
Общие сведения о Государственной системе промышленных приборов и средств автоматизации
Автоматический контроль и измерение технологических параметров
Основы метрологии и техники измерений
Типовые измерительные схемы и приборы технического контроля
Общие сведения о датчиках физических величин
Измерительные схемы для датчиков
Вторичные приборы
Методы измерения важнейших технологических параметров
Измерение температуры
Измерение давления
Измерение уровня
Анализаторы состава жидкостей
Влагомеры неводных жидкостей
Измерение плотности и вязкости жидкостей
Анализаторы состава газов
Измерения количества и расхода жидкостей и газов
АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИ-ЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Классификация автоматических систем регулирования (АСР)
Объекты регулирования и их свойств
Автоматические регуляторы и законы регулирования
Классификация линейных регуляторов
Нелинейные законы регулирования
Усилительно-преобразовательные устройства
Реле
Исполнительные механизмы и регулирующие органы
Управление электроприводами оборудования
Основные характеристики элементов и линейных систем автоматического регулирования непрерывного действия
Дифференциальные уравнения для элементов и системы
Передаточные функции
Временные характеристики
Частотные характеристики
Типовые динамические звенья АСР
Основные виды соединений звеньев системы
Устойчивость одноконтурных АСР
Качество АСР
Многоконтурные АСР
Комбинированные АСР
Каскадные АСР
3.10. Дискретные автоматические системы регулирования
3.10.1.Понятия о дискретных АСР и их классификация
3.10.2.Классификация релейных АСР
3.10.3.Автоколебания в релейных АСР
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ (АСУТП)
Общая характеристика АСУТП
Назначение, цель и функции АСУТП
Упрощенная структура комплекса технических средств (КТС) АСУТП
Техническое обеспечение распределенных АСУТП
Общая характеристика аппаратурной основы АСУТП
Микропроцессорные автоматические устройства и системы
Электро–пневматические системы управления химико-технологическими процессами
Автоматизированные тренажерно-обучающие комплексы
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ И НЕФТИХИМИИ
Элементы техники проектирования систем автоматизации
Краткие сведения о типовых технологических процессах
Последовательность выбора системы автоматизации
Выбор регуляторов и параметров их настройка
Элементы техники проектирования схем автоматизации
Автоматизация производства нефтепродуктов
Автоматизация управления процессами первичной переработки нефти
Автоматизация управления процессом каталитического крекинга
Автоматизация управления процессом гидроочистки дизельного топлива
Автоматизация управления процессом замедленного коксования
Автоматизация управления процессом алкилирования бензола
5.3.Автоматизация управления процессами производства некоторых органических продуктов
5.3.1. Автоматизация управления процессом производства олифинов
Автоматизация управления процессом производством ацетилена
5.4.Автоматизация управления процессами производства синтетического каучука
5.4.1. Автоматизация производства бутадиен-стирольного каучука
5.4.1.1. Технологическая схема производства
5.4.1.2. Автоматизация процесса приготовления эмульсии и полимеризации
5.4.1.3. Автоматизация процесса дегазации
5.4.1.4. Автоматизация процесса коагуляции
5.4.1.5. Автоматизация процесса сушки
5.4.2. Автоматизация производства изопренового куаучука
5.4.2.1. Технологическая схема производства
5.4.2.2. Автоматизация процесса полимеризации
Библиографический список



ВВЕДЕНИЕ

За прошедшее десятилетия автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) нефтепереработки и нефтехимии получили существенное развитие в количественном и качественном отношениях. Установилась масштабная деятельность зарубежных и отечественных фирм по созданию программного обеспечения задач контроля и управления технологическими процессами. При этом основным является развитие косвенных методов контроля неизмеряемых величин (переменных), адаптивного и многосвязного регулирования, оптимального управления и экспертных систем.
Осуществлен переход от устаревшего пневматического оборудования и традиционных щитовых систем к электронным микропроцессорным бесщитовым распределенным АСУТП сетевой архитектуры, в составе которых широко используются IBM-совместимые ПЭВМ и новейшие программные средства.
Появились организации (фирмы), выполняющие разработку и внедрение АСУТП ''под ключ'', включая изготовление и комплектацию оборудования. Усилившаяся конкурентная борьба способствовала повышению качества и снижению стоимости технических средств, программного обеспечения и выполняемых работ. Большое внимание уделяется повышению надежности систем.
АСУТП нефтепереработки и нефтехимии традиционно строится по двухуровневому принципу.
Информационно-управляющая подсистема нижнего уровня предназначена для оперативного контроля, автоматического регулирования и ручного дистанционного управления процессами, программно-логического управления технологическими агрегатами, контроля состояния, сигнализации, блокировка и защиты оборудования в аварийных ситуациях.
Информационно-управляющая подсистема является централизованной по характеру процессов контроля и управления, осуществляемых на каждом рабочем месте, и распределенной по аппаратной реализации своих функций. Задачи контроля и управления, решаемые в рамках этой подсистемы, достаточно универсальны и мало зависят от свойств объекта управления, а используемое программное обеспечение определяется выбором технических средств.
Функционирование информационно-управляющей подсистемы связано с переработкой текущей информации, поступающей с объекта. Решение задач, использующих информацию, накапливаемую за достаточно продолжительные интервалы времени, как правило, характерно для верхнего уровня АСУТП.
Подсистема верхнего уровня АСУТП является централизованной как по способам хранения и обработки информации, так и по аппаратной реализации, и ориентирована на решение задач расчетного характера. В составе функциональных задач верхнего уровня АСУТП выполняются технологические и технико–экономические расчеты, диагностика состояния технологического оборудования и учет времени его работы, прогнозирование показателей качества выпускаемой продукции, оптимальное управление установкой в целом и каждой из ее секций, архивирование значений технологических переменных с целью их апостериорного анализа.
Определяющими факторами, характеризующими качество подсистемы верхнего уровня, является, прежде всего, универсальность используемых алгоритмов, обеспечивающая возможность их применения и различных алгоритмов, обеспечивающая возможность их применения на различных объектах, а также гибкость системы, удобство ее настройки и сопровождения.
В составе технических средств распределенных АСУТП выделяются следующие аппаратно-функциональные элементы:
субкомплексы связи с объектом, обеспечивающие сбор информации, формирование и выдачу управляющих воздействий;
рабочие места операторов-технологов, реализующих систему отображения информации и человеко-машинный интерфейс связи с процессом;
вычислитель для решения функциональных задач верхнего уровня.
Большинство зарубежных и отечественных фирм считают основным подходом к организации субкомплексов связи с объектом на основе программируемых контроллеров, обеспечивая их использование, как в составе сложных систем, так и автономно.
Высокая надежность микропроцессорных программируемых контроллеров (МПК) обеспечивается путем аппаратного резервирования (дублирования или троирования) устройства в целом или отдельных информационных каналов. Живучесть выполняемых функций достигается высокой степенью их распределения по аппаратным средствам за счет применения функциональных плат.
Рабочее место оператора-технолога предназначено для обеспечения контроля и управления ходом технологического процесса и его агрегатами без привлечения дополнительных средств. Организовано рабочее место оператора-технолога на базе контроллеров, оснащенных цветными графическими терминалами, алфавитно-цифровыми и функциональными клавиатурами. Многие фирмы используют сенсорные экраны, позволяющие перемещать курсор по полю экрана прикосновением пальца.
В составе автоматизированного места оператора-технолога функционируют подсистемы отображения информации, автоматического контроля и сигнализации, связи оператора с технологическими процессом и системой.
Подсистема отображения реализует информационную модель управляемого объекта в виде последовательности кадров, вызываемых на экране цветных графических терминалов. Каждый кадр представляет собой мнемосхему участка технологического процесса с текущими значениями соответствующих переменных, набор графиков изменения этих переменных во времени или гистограмм распределения нарушений для границ различного уровня.
Идеология построения систем отображение информации в настоящее время предусматривает два основных принципа их реализации:
Представление информации по мере возникновения каких – либо нарушений или по требованию оператора;
Безусловное предоставление основной информации о доходе технологического процесса и ее последующей детализации при возникновении нарушений, либо по желанию оператора.
Примером осуществления первого принципа являются системы американских фирм Taylor МОД – 300, Honeywell ТДС – 3000. Конфигурирование этих систем основано на понятиях ''зона контроля'', ''группа элементов'' и ''динамический элемент''. Обеспечена возможность изменения задание регулятором при их вызове, осуществляемом подведением курсора к значению соответствующей переменой.
Второй принцип организации систем отображение информации является более последовательным в идеологическом плане. Он базируется на четком разделении смыслового содержания отображаемой информации и способов ее отображения.
Состав информации на выводимых кадрах выбирается из условия максимальной информативности их сопоставительного анализа в каждой конкретной ситуации, а формы ее отображения обеспечивают наилучшую психологическую восприимчивость для оператора в зависимости от характера сопоставления. Любые действия оператора начинаются с вызова требуемого ему информационного кадра. Запросы на выводы кадров могут быть организованы различными способами:
Прямым вызовом по имени (имеется подсказка – меню) или нажатием соответствующей этому кадру клавиши на алфавитно-цифровой или функциональной клавиатурах;
Подведением курсора в определенное место мнемосхемы (обзорного кадра) или движением ''окна'' по мнемосхеме (детализация участков мнемосхемы);
Последовательным перелистыванием в прямом и обратном направлениях.
Регуляторы отображаются в привычном для операторов виде стилизованных шкал, а величина задания изменяется с помощью клавиш увеличения или уменьшения.
Совпадение текущих значений регулируемой переменной и задания отображается на шкале с учетом точности измерений. Управление дискретными элементами (насосами, компрессорами, задвижками, отсечными клапанами), требующее незамедлительных действий оператора в определенных ситуациях, организовано на базе функциональных клавиатур, что значительно снижает время его реакции при возникновении нарушений.
Средствами конфигурирования системы могут быть специализированные языки описания системы, заполнения таблиц, ответы на вопросы меню.
Выполняется конфигурирование либо с рабочей консоли оператора, либо с помощью специализированной или персональной ЭВМ, подключенной системе.
Надежность и живучесть функций рабочего места оператора-технолога обеспечивается введением резервной станции с организацией для нее доступа к информации по всем имеющимся зонам контроля.
В системах управления технологическими процессами используются сети, являющиеся разновидностями стандартного протокола МАР–протокола автоматизации производства, разработанного компанией General Motors (США).
Основными направлениями совершенствования функций контроля и управления в АСУТП являются разработка алгоритмов реального времени для косвенного контроля неизмеряемых переменных, автоматизация настройки регуляторов, адаптивного одноконтурного и многосвязного регулирования, оптимального управления и экспертных систем.
В основе всех указанных разработок лежит математическая модель технологического процесса, получаемая методами статистики (объектно- независимые пакеты), формальной кинетики (объектно-зависимые пакеты) и теория нечетких множеств (для экспертных систем).
Автор выражает сердечную благодарность главному инженеру ОНПЗ Абрашенкову П.А., начальнику службы ИТАТ ОНПЗ Говядинову А.В., начальнику группы электриков и КИПиА Логохину А.Г., главным специалистам ИТАТ Козлову А.В., Федорову В.Н. за оказанную любезность в предоставлении новых каталогов по средствам автоматизации и материалов по реальным современным средствам и системам АСУТП.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ
основные понятия об объектах и системах
автоматического управления

Замена ручного труда человека в операциях управления на управление с помощью технических средств называется автоматизацией. Технические средства, с помощью которых выполняются операции управления, называются средствами автоматизации или автоматическими устройствами.
Аппарат, оборудование в которых протекает управляемый технологический процесс, называется объектом управления. Совокупность объекта управления и средств автоматического управления называются автоматической системой управления (АСУ).
Технологические процессы находятся под воздействием внутренних и внешних возмущений, нарушающих равновесный режим. Поэтому к технологическому процессу извне или изнутри прикладываются управляющие воздействия так, чтобы скомпенсировать указанные возмущения. Системы, вырабатывающие на основе информации о состояние управляемого процесса определенный алгоритм (закон) управления, нейтрализующий действие возмущающих воздействий и приводящий управляемую величину к заданному значению, называются автоматическими системами регулирования (АСР).
В этом случае термин «управление» заменяется на термин «регулирование»: объект регулирования, автоматическая система регулирования, автоматическое регулирование, регулируемая величина, автоматический регулятор и т.д.
Технологический параметр, который необходимо поддерживать в данных пределах в соответствии с технологическими требованиями называется регулируемым параметром или регулируемой величиной. Значение регулируемой величины, которое необходимо поддерживать в данный момент, называется заданным значением, а измеренное в данный момент – текущим.
Объектом регулирования (ОР) называется аппарат, оборудование или технологический процесс, в котором происходит изменение регулируемой величины в результате управляющих воздействий. Управляющее воздействие на объект регулирования осуществляется путем регулирования подачи материалов или энергии.
В общем случае задачи системы управления значительно шире: в системе регулирования заданное значение регулируемой величины или закон ее изменения заранее известны и АСР должна всегда приводить управляемую (регулируемую) величину к этому значению, а в системе управления должен вырабатываться такой закон изменения управляемой величины, который наилучшим образом обеспечит функционирование системы, выполнение технологического процесса в соответствии с изменившимися параметрами ОР и внутренними и внешними возмущениями.
В теплоэнергетических аппаратах (установках), например, управляющее воздействие на ОР осуществляется изменением положения заслонок, задвижек, шиберов, различных клапанов, перекрывающий трубопроводы, а сами управляющие воздействия формируются регулятором, который вместо человека-оператора обеспечивает изменение регулируемой величины по заданному закону.
Рассмотрим обобщенную функциональную схему АСР (рис. 1.1.), в которой с определенной степенью детализации представленны основные устройства для выполнения определенных функций (датчики, усилители, управляющие устройства, исполнительные механизмы, регулирующие органы и т.д.).



Рис 1.1.Обобщеннная функциональная схема АСР.

Непременным элементом АСР является объект регулирования ОР, на который воздействуют как возмущающие воздействия f(t) (например, изменение нагрузки объекта), так и управляющее воздействие y(t), а на выходе характеризуется регулируемой величиной хВЫХ (t).
Датчик Д дает информацию о величине какого-либо параметра технологического процесса, протекающего в ОР. Нормирующий преобразователь НП служит для преобразования естественного сигнала с выхода датчика в унифицированный сигнал ГСП. Задающее устройству ЗУ вводит в систему сигнал задания хзд . Элемент сравнения ЭС сравнивает сигнал хзд с величиной хи от измерительного устройства (Д,НП). При наличие рассогласования (= хзд( хи создается регулирующее воздействие на объект, стремящееся свести к минимуму рассогласование. Система будет находиться в состояние покоя (равновесия) при отсутствие рассогласования.
Регулятор Р (совокупность усилителя У, устройства управления УУ и корректирующего устройства КУ) предназначен для коммутации и алгебраического суммирования сигналов измерительного и задающего устройств, выработки требуемого закона регулирования и управляющих (регулирующих) воздействий у(t) на исполнительный механизм ИМ, перемещающий регулирующий орган РО, который изменяет количество поступающего вещества или энергии в объект в целях приведения регулируемой величины ОР к заданному значению.
Для работы АСР необходимы источники питания ИП элементов и устройств автоматики (для пневматических систем это компрессорная станция, а для электрических систем это автономные источники питания в виде трансформаторов, преобразователей тока, аккумуляторов, мотор-генераторов). Стабилизаторы СТ служат для снижения помех питания средств автоматики.
В зависимости от характера информации об объекте управления (ОУ) автоматические системы управления подразделяются на разомкнутые и замкнутые (рис 1.2).
Разомкнутые системы работают по жесткой программе не зависимо от состояний объекта в процессе управления и изменяющихся внешних условий фактического протекания процесса. Внешние возмущения f(t) приводят к соответствующим неуправляемым отклонениям выполняемого процесса в объекте. Эти возмущения - непредсказуемые факторы, вызывающие нарушения нормального протекания процесса.

Рис. 1.2. Структуры разомкнутой (а) и замкнутой (б) систем управления: хвх (t) и хвых (t) – соответственно входная и выходная величины; у(t) – управляющее воздействие, вырабатываемое управляющим устройством (УУ); f(t) – возмущающие воздействие; ((=((t) – сигнал рассогласования (или ошибка).

Замкнутые системы управления работаю на основе информации о протекаемом процессе и при любых нарушениях его, связанных, например, с изменившимися внешними условиями, вырабатывают соответствующее, воздействие, ликвидирующее отклонение выполняемого процесса. В этих системах существует обратная связь – информация о состояние управляемого процесса (объекта) передается с выхода системы на вход управляющего устройства (регулятора).

1.2. Общие сведения о Государственной системе
промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП)
В науке и технике известно более 2000 различных физических величин. Для измерения их требуются различные по принципу действия и конструкциям автоматические средства измерения, регулирования и управления. Для уменьшения количества средств измерения и автоматизации путем унификации их принципов измерения и конструкций создана Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП).
Все средства ГСП по функциональному назначению подразделены на четыре группы.
Средства ГСП по роду используемой энергии подразделяются на три ветви: электрическую, пневматическую и гидравлическую. Выпускаются также комбинированные средства: электропневматические (пневмоэлектрические), электрогидравлические.
2. автоматический контроль и измерение
технологических параметров
2.1. Основы метрологии и техники измерений
Базовой основой современных АСУТП являются системы автоматического контроля (САК), позволяющие быстро получить достоверную измерительную информацию о режимных параметрах технологических процессов, а также о параметрах сырья, промежуточных и готовых продуктов.
Научной основой САК являются метрология и физические принципы измерения параметров технологических процессов.
Технической базой САК являются средства измерений (СИ) и преобразований соответствующих параметров.
Метрология - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижениях требуемой точности. Под единствами измерения понимают такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности измерения известны с заданной вероятностью.
Организационной основой метрологического обеспечения является метрологическая служба России, состоящая из сети учреждений и организаций, возглавляемых Государственным комитетом стандартизации, метрологии и сертификации Российской Федерации.
Соблюдение метрологических требований при технологических измерениях обеспечивает не только качество технологических режимов и выпускаемой продукции, но и производительность, экономичность, надежность и долговечность оборудования.
Важнейшими характеристиками измерения являются: принцип измерения, метод измерения, погрешность измерения.
Принцип измерения – это совокупность физических явлений, на которых основано измерение (например, на термоэлектрическом эффекте основан принцип измерения температуры с помощью термоэлектрического термометра).
Метод измерения – совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Виды измерений: прямые, косвенные и совокупные.
Если результат измерения У находится непосредственно из опытных данных Х, то измерения называются прямыми, здесь У=Х. Примером прямого измерения являются измерения длины линейкой, массы с помощью весов, температуры стеклянным термометром и т.д.
Косвенные измерения – здесь искомое значение измеряемой величины находят на основе известной зависимости ее от величин, значение которых находят прямыми измерениями у=f (x1, x2, xn), где x1, x2, xn - величины, определяемые прямыми измерениями (например, определение температуры по прямому измерению термо-ЭДС, плотности однородного тела по его массе и объему и т.д.).
Совокупные измерения характеризуются одновременным измерением нескольких одноименных величин, при которых искомое значение величин находят решение системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин или ряда других величин, функционально связанных с измеряемыми.
На ХI Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 г. была принята международная система единиц СИ, которая в 1961 г. регламентирована в СССР для предпочтительного применения, а с 1980 г. является обязательной.

Методы измерений:
1. Метод непосредственной оценки – искомое значение физической величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора (ИП) прямого действия (без обратной связи). Например, измерение давление пружинным манометром, силы тока амперметром, массы с помощью циферблатных весов.
2. Метод сравнения с мерой – метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение длины метром, напряжение постоянного тока сравнивают с ЭДС нормального элемента и т.д.). Метод подразделяется на: нулевой (компенсационный); дифференциальный (разностный); совпадения; противопоставления; замещения.
В современных СИ преимущественно применяются компенсационный и дифференциальный методы.

Классификация средств измерений
СИ подразделяются на: меры, калибры, измерительные преобразователи (Ипр), измерительные приборы (ИП), измерительные установки, измерительные системы.
Мера - СИ для воспроизведения физической величины заданного размера (например, линейка, нормальный элемент, конденсатор).
Измерительный прибор – СИ для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателя.
Измерительный преобразователь – СИ для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи сигнала, обработки, хранения, но не воспринимаемой наблюдателем.
Измерительная установка – совокупность функционального объединения СИ (мер, ИП, Ипр) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенную в одном месте.
Измерительная система – совокупность СИ и вспомогательных устройств, соединенных каналами связи, предназначенная для выработки сигнала в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления.
Основным признаком классификации ИП является измеряемая физическая величина, по которому приборы классифицируется на ИП для измерения: температуры; давления; уровня жидкости и сыпучих материалов; количества и расхода жидкостей, газов, сыпучих материалов; плотности и вязкости вещества, анализа состава жидкостей и газов; влажности; геометрических размеров и других технологических параметров.
По другим признакам приборы классифицируются следующим образом: по применению – технические (производственные), лабораторные, контрольные, образцовые и эталонные; по виду показаний – показывающие, записывающие, интегрирующие, печатающие и регистрирующие; по способу применения – стационарные и переносные; по способу формирования сигналов: аналоговые, в которых сигнал измерительной информации является непрерывной функцией измеряемой величины и цифровые, в которых вырабатываются дискретные сигналы измерительной информации в цифровой форме; по точности измерения ИП различаются классом точности (например, классы точности 0,5; 1,0; 1,5 и т.д.); по защищенности Ип бывают обычного исполнения, пылеводонепроницаемые, тропического исполнения и взрывозащищенные.
Основные метрологические характеристики ИП
Качество ИП характеризуется рядом показателей, важнейшими из которых являются: погрешность, чувствительность, цена деления шкалы, предел измерения и динамическая погрешность.
Погрешность характеризует отклонение измеряемой величины от ее истинного (действительного) значения. Истинное значение измеряемой величины установить практически невозможно, поэтому на практике пользуются понятием действительное значение измеряемой величины, измеренное образцовым прибором.
Нормирующее значение ХN - верхний придел хв измеряемой величины или диапазон измерения (хв –хн), где хн – нижний придел измерения.
Класс точности прибора устанавливается в зависимости от значений пределов допустимых основной и дополнительной погрешностей. Чаще класс точности выражается через основную допустимую погрешность ( в виде относительной погрешности
К
·.Т=

·

·100.
(2.1)


ХN



Основная погрешность дается для нормальных условий: температура окружающей среды 293 К ((200С); атмосферное давление 101,325 кПа (760 мм. рт. ст.); влажность воздуха до 80 %.
Погрешность измерений, которая является результатом несовершенства средств и методов измерений (включая субъективные особенности наблюдателя), в зависимости от характера проявления подразделяют на систематическую
· и случайную (,
(((((. (2.2)
Систематическая погрешность измерений – составляющая погрешности измерений, которая остается постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины.
Случайная погрешность измерений представляет собой составляющую погрешности измерений, изменяющуюся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины в зависимости от множества случайных факторов, действия которых по разному складываются при повторении измерений одного и того же объекта (экземпляра готовой продукции или параметра технологического процесса). Примерами случайной погрешности могут быть: погрешность вследствие вариаций показаний измерительного прибора, погрешность округления при отсчитывании показаний измерительного прибора и т.п.
Чувствительность ИП – свойство заключающееся в способности реагировать на изменение измеряемой величины. Количественно ее можно выразить как отношение числа делений шкалы n к диапазону измеряемой величины ХN
S=
n

(2.3)


XN


Цена деления характеризуется разностью значения величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Количественно она представляется величиной, обратной чувствительности. Минимальное значение измеряемой величины, на которую реагирует ИП, называется порогом чувствительности.

2.2 Типовые измерительные схемы и приборы технического контроля
2.2.1 общие сведения о датчиках физических величин

По классификации изделий Государственной системы приборов (ГСП) датчики делятся на группы по входным физико-химическим воздействиям и физическим информационным сигналам на входе [46].
Рассмотрим здесь классификацию датчиков по признакам, достаточным для специалистов технологов химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслей.
По виду измеряемой физической величины различают датчики давления, температуры, влажности, расхода, уровня, состава и свойств жидкостей и газов и т.д.
По характеру воздействия измеряемой среды различают датчики для агрессивных и неагрессивных сред, контактные и бесконтактные, для обычных условий, умеренно холодных, тропических, электробезопасные и взрывозащищенные и пр.
По виду информативного параметра выходного сигнала бывают датчики амплитуды постоянного и переменного тока, амплитуды напряжения постоянного и переменного тока, частоты (фазы) синусоидальных и импульсных напряжений, с цифровым кодом, давления, перемещения и пр.;
По используемому физическому эффекту различают датчики тензорезисторные, терморезисторные, термоэлектрические, пьезоэлектрические и др.
По принципу действия датчики бывают емкостные, электромагнитные, потенциометрические, ультразвуковые, электрохимические, оптические и пр.
По конструкции чувствительного элемента датчики бывают мембранные, сильфонные, поплавковые и др.
По технологии производства – традиционной, микроэлектронной, оптоэлектронной, микромеханической технологий.
Наиболее распространенные датчики или первичные измерительные преобразователи (ПИП) работают по следующей схеме преобразования: неэлектрическая величина ( перемещение ( электрическая величина.
1.Резисторные датчики
один из наиболее широко применяемых принципов преобразования физических величин основан на изменении сопротивления чувствительных элементов, которые могут быть реализованы в виде потенциометров, тензо- или терморезисторов.
Потенциометрические датчики. В них измеряемая физическая величина обычно с помощью механической передачи преобразуется в перемещение движка потенциометра, что приводит к соответствующему изменению сопротивления. Потенциометры могут быть выполнены как из проволоки, так и путем осаждения слоя углерода на один из компаундов. Чаще всего для изготовления проволоки используются различные сплавы платины, обладающие повышенной коррозионной и износостойкостью, применяются также манганин, константан и др. Достоинством потенциометрических датчиков является простота и универсальность, а недостатком – ограниченность точности и быстродействия, обусловленная механической конструкцией. Пример схемы проволочных потенциометрических датчиков представлен на рис. 2.1.
Датчики представляет собой каркас, на котором намотан в один слой провод с большим удельным сопротивлением, и подвижный контакт с линейным (рис 2.1, а) или угловым (рис 2.1, б) перемещение движка, скользящего по веткам провода. Этот преобразователь представляет собой делитель напряжения.

Рис.2.1 потенциометрические датчики (преобразователи)

Выходной ток Iн и напряжение Uн зависят от положения движка потенциометра. Эта зависимость в общем нелинейна, что определяется прежде всего отношением полного сопротивления R потенциометра к сопротивлению нагрузки RH. Величина относительного изменения сопротивления потенциометра К =r/R при равномерной его намотке совпадает с относительным его перемещением L/
· движка потенциометра (где
· - общая длина сопротивления R), которая равна нулю при r=0 и единице при r=R. Однако при относительно большом сопротивлении нагрузки Rн>> R статическая характеристика потенциометра Uн=f(l) принимает линейный вид

· U
·
R

· K1
·U
·l ,

(2.4)


R




где K1 =1/L=1/R=const.
Если Rн в 10-20 раз больше R, то нелинейность статической характеристики не превышает 1-2% предела измерений.
Тензорезисторные датчики основаны на явлении тензоэффекта, заключающегося в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Первоначально тензорезисторы изготавливались из тонкой проволоки, уложенной зигзагообразно и наклеенной на основу. Сверху преобразователь покрывался слоем лака. Будучи приклеенным к поверхности испытуемого объекта, тензорезистор воспринимает ее деформации. Современные тензорезисторы изготавливаются на основе технологии печатания схем (фольговые тензорезисторы) или методами осаждения тонких пленок, позволяющих значительно улучшить их характеристики. Для датчиков работающих в диапазоне температур до 1800С, в качестве тензочувствительного материала используется константан. Для более высоких температур (200-10000С) применяются специальные сплавы.
Как правило, для всех тензорезисторов необходимы надежные способы их закрепление на поверхности испытываемых (деформируемых) объектов, а также требуется нанесение герметизирующих покрытий, предотвращающих нежелательные загрязнения. Особого искусства и техники требует также выполнение электрических соединений.
В последние годы изготавливают датчики с полупроводниками тензорезисторами, выращенными непосредственно на упругом элементе, выполненном из кремния и сапфира. Упругие элементы из кристаллических материалов обладают упругими свойствами, близкими к идеальным, и существенно меньшим гистерезисом и нелинейностью по сравнению с металлическими.
На одном упругом элементе обычно выращивается не один тензорезистор, а структура в виде полумоста или даже целый мост, кроме того, термокомпенсирующие элементы. В частности, КНС-структура (кремний на сапфире) положена в основу большой серии унифицированных датчиков давления, образующие приборный комплекс «Сапфир-22». Дальнейшим развитием унифицированных датчиков абсолютного давления и перепада давлений является создание комплекса датчиков «Сапфир-300», которые базируются на чувствительном элементе с МДМ-структурой (металл - диэлектрик - металл).
Наиболее распространенной измерительной цепью для тензорезисторов является мостовая измерительная цепь.
Терморезисторы, в отличие от потенциометрических и тензорезисторных датчиков, применяются только для измерения температуры. Подробнее рассмотрим в разделе «Измерение температуры».
2.Емкостные датчики
эти датчики имеют разнообразные области применения, однако наибольшее распространение они получили для измерения малых перемещений и физических величин, легко преобразуемых в перемещение, например давлений.
В простейшем случае они состоят из двух металлических пластин (электродов), разделенных малым воздушным зазором. Любое изменение зазора либо перекрывающихся площадей (при движение одной пластины вдоль другой) будет вызывать изменение емкости, которое затем можно будет измерить. Достоинством емкостных датчиков в отличие от резисторных и индуктивных является отсутствие шумов и самонагрева, стабильность метрологических характеристик во времени, потенциально высокая термоустойчивость. Емкостные датчики конструктивно исключительно просты, в них легко может быть внедрена микроэлектронная технология.
Перемещение подвижного электрода и соответствующее изменение емкости может быть измерено с помощью самоуравновешивающегося моста, либо автогенератора, в котором изменение емкости изменяет частоту генерации, что особенно привлекательно для цифровых систем. Для дистанционного измерения малых емкостей разработаны высокоэффективные автокомпенсационные измерительные цепи.
Изменение емкости конденсатора можно достичь изменение входной величины: расстояние d между двумя (и более) электродами (рис. 2.2, а); площади S электродов, образующих собственно емкость (рис 2.2,б); диэлектрической проницаемости ( среды между электродами (рис. 2.2, в) и другими способами.

Рис. 2.2. Емкостные (диэлькометрические) измерительные преобразователи.

Емкость C плоскопараллельного конденсатора равна C =((S/d. Емкость цилиндрического конденсатора вычисляется так: C =2((
·(
·
·l ( ln (D2 / D1), где l – длина цилиндра; D1 и D2 – внутренний диаметр внешнего и наружный диаметр внутреннего цилиндра соответственно.
Диэлькометрические преобразователи, построенные на изменение расстояния между электродами, используют для измерения малых перемещений (до 1 мм). Для измерения больших перемещений применяют преобразователи с изменяющейся площадью электродов (рис 2.2, б).
Преобразователи с изменяющейся диэлектрической проницаемостью межэлектродного пространства (рис. 2.2, в) часто используют в схемах автоматического контроля и регулирования таких параметров технологического процесса, как уровень, толщина продукта, влажность, концентрация жидкостей, давление.
Достоинства диэлькометрических преобразователей: высокая чувствительность, простота конструкции, малые габариты и инерционность.
3. Электромагнитные датчики
Электромагнитные датчики получили широкое применение в различных областях науки и техники благодаря достаточно высокой точности, широким функциональным возможностям, надежности, особенно при работе в тяжелых эксплутационных условиях.
Датчики, преобразующие входную величину - перемещение в изменении индуктивности, называются индуктивными, а в изменение взаимоиндуктивности - трансформаторными или реже взаимоиндуктивными.
Индуктивный датчик (рис.2.3) основан на изменении индуктивности обмотки 1 электромагнитного дросселя в зависимости от воздушного зазора (в между сердечником 2 и якорем 3. Здесь входным воздействием является перемещение якоря 3, а выходной величиной индуктивности L, или выходное сопротивление x =
·
· L (где
· - частота переменного тока),

Рис. 2.3. Схема индуктивного датчика
L = W2/ ( RM + RMB ) = W2 / (RM +
2
·в
)

(2.5)



·0
· SB





где W - число витков обмотки катушки; RM - магнитное сопротивление магнитопровода; RMB = 2
·B
· (
·0
· SB ) - магнитное сопротивление воздушного зазора (
·0 - магнитная проницаемость воздуха).
Достоинством индуктивных датчиков является простота и надежность. Недостатки: сравнительно малая чувствительность; зависимость индуктивного сопротивления от частоты тока; сравнительно небольшой диапазон линейного участка статической характеристики.
Дифференциально-трансформаторный преобразователь (ДТП) -получил особо широкое применение. Электрическая схема ДТП с подвижным сердечником, перемещающимся относительно обмоток, представлена на рис. 2.4.

Рис.2.4. Дифференциально-трансформаторный
преобразователь (ДТП)

Первичная обмотка 1 состоит из двух секций, намотанных согласно, а вторичная обмотка состоит из секций 3 и 4, включенных встречно. Подвижный сердечник 2 соединен чувствительным элементом, на который воздействует измеряемая физическая величина (перемещение, давление и т.п.).
Магнитный поток от первичной обмотки индуктирует в секциях вторичной обмотки ЭДС е1 и е2, значение которых зависит от величины тока в обмотке 1, его частоты и взаимных индуктивностей М1 и М2 между секциями 3 и 4 и первичной обмотки. При среднем (нейтральном) положении сердечника взаимные индуктивности М1 и М2 равны. При отклонении сердечника вверх или вниз от нейтрального положения значение одной из взаимных индуктивностей увеличивается, а другой – уменьшается.
ЭДС на выходе ДТП определяется по формуле:
Е = -j
·
·
·
·
· M, (2.6) где
· = 2
· f ( f – частота питания ); I – ток питания первичной обмотки преобразователя; М1 = М1 – М2 – взаимная индуктивность между выходной и первичной обмотками, зависящая от положения сердечника в катушке преобразователя.
2.2.2. Измерительные схемы для датчиков
Малые напряжения постоянного тока, являющиеся выходной величиной генераторных ПИП (например, термоэлектрических термометров), можно измерять либо методом непосредственного измерения с помощью милливольтметра, либо путем использования компенсационной (потенциометрической) или дифференциальной схем.
Компенсационная схема, являющаяся одной из основных в средствах автоматического контроля различных параметров технологических процессов, основана на компенсации (уравновешивании) измеряемой величины известным падением напряжения на калиброванном сопротивлении.
Дифференциальная измерительная схема служит для измерения разности между измеряемой величиной и некоторой другой величиной, заранее известной.
Мостовая измерительная схема – наиболее распространенная при автоматическом контроле технологических параметров. Параметрические ПИП включают в мостовые схемы, в которых текущее значение параметра ПИП сравнивается с заданным его значением (в уравновешенных мостах) или в измерительной диагонали моста образуется напряжение, функционально связанное с измерением контролируемого параметра технологического процесса (неуравновешенные мосты).
При уравновешенной мостовой схеме применяется нулевой метод измерения тока в диагонали: измерение параметра ПИП (сопротивление, индуктивность, емкость) компенсируется изменением сопротивления другого плеча до момента полного исчезновения тока в измерительной диагонали .
Приемниками информации от датчиков в электрических системах передачи с унифицированным токовым сигналом могут быть промежуточные преобразователи, регуляторы, измерительные (вторичные) приборы и программируемые микропроцессорные контроллеры (ПМК). Большинство датчиков оснащены преобразователями типа «сила-ток» или «перемещение-ток». Современное бесщитовое распределенное управление существенно ограничило применение вторичных аналоговых приборов, особенно для средних и больших АСУТП.
2.2.3. Вторичные приборы
Приборы комплекса К140.
Построены по принципу электромеханического следящего уравновешивания и являются одним из наиболее массовых средств автоматизации в большинстве отраслей народного хозяйства.
Приборы выполняют следующие функции: измерение технологических параметров (таких как температура, давление расход и др.) и представление результатов в аналоговой форме; регистрацию параметров на диаграммных лентах или дисках; стабилизацию или допусковый контроль (позиционное регулирование и сигнализация; интегрирование параметров во времени; преобразование и размножение сигналов от датчиков в стандартные электрические сигналы постоянного тока или пневматические.
Модификация приборов КС1, КП1, КС2 общепромышленного назначения, используемая как средство автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) в зависимости от вида входного сигнала делятся на следующие группы:
Потенциометры – приборы, работающие от входных сигналов напряжения или силы постоянного тока термопреобразователей термоэлектрических, источников ЭДС, сигналов тока и напряжения;
Мосты – приборы, работающие с термопреобразователями сопротивления; дифференциально-транспортные приборы, работающие от входных сигналов в виде изменения взаимной индуктивности. В основу работы приборов положен компенсационный метод измерения.
Принципиальная схема потенциометра одноканального и многоканального типов КПП1, КП140, КСП1, КСП2 приведена на рис.2.5.
Выходной сигнал термоэлектрического преобразователя (термопары), источника постоянного тока напряжения или телескопа или радиационного пирометра сравнивается с сигналом обратной связи, который снимается с уравновешивающего реохорда Rp.. Разность этих сигналов поступает на вход усилителя У, преобразуется в напряжение переменного тока и усиливается для приведения в действие реверсивного двигателя М1. Вращение выходного вала М1 с помощью механической передачи преобразуется в прямолинейное движение каретки, на которой закреплены контакты движка реохорда, указатель и устройство регистрации. Положение указателя в момент равновесия определяет значение измеряемого параметра, которое регистрируется на движущейся диаграммной ленте.
В потенциометрах, работающих с термопарами ТХА, ТХК,ТПП, ТВП, один из резисторов измерительной схемы служит для компенсации ЭДС свободных концов термопары. Этот резистор выполнен из медной проволоки и помещен в непосредственной близости от свободных концов термопары или удлинительных термоэлектродных проводов.
Принципиальная схема мостов типа КПМ1, КСМ1, КСМ2 представлена на рис.2.6. Термопреобразователи сопротивления Rt подключаются к прибору по трехпроводной схеме, что снижает температурную погрешность изменением сопротивления соединительных проводов при изменении температуры окружающего воздуха. К одной диагонали мостовой схемы проводится питание, напряжение с другой диагонали подается на вход усилителя У. При изменении температуры измеряемой среды изменяется сопротивление термопреобразователя и на входе усилителя возникает на

Рис.2.6. Принципиальная электрическая схема мостов


Рис.2.5. Принципиальная электрическая схема потенциометров

пряжение резбаланса, которое усиливается и приводит в действие реверсивный двигатель М1. Далее работа моста аналогична работе потенциометра.
2.Приборы регистрирующие типа ДИСК-250
Предназначены для измерения силы и напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных в электрические сигналы и активное сопротивление.
Принцип действия приборов ДИСК-250 основан на методике непрерывной компенсации измеряемой величины в следящей системе прибора; уравновешивание схемы происходит автоматически с помощью усилителя и реверсивного двигателя, связанного с движком реохорда. В приборах предусмотрена автоматическая компенсация температуры свободных концов термоэлектрического термометра. Краткое описание модификаций приборов ДИСК-250 и КСД-250, выпускаемых заводом Теплоприбор(г. Челябинск), приведена в таблице 2.1.
Прибор аналоговый показывающий и регистрирующий с дисковой диаграммой и встроенными источниками питания и устройством корнеизвлечения типа ДИСК-250ДД предназначен для использования в системах коммерческого учета тепло- и энергоносителей в коммунальном хозяйстве, энергетике, пищевой, химической и других отраслях промышленности. Входным сигналом для прибора служит выходной токовый сигнал от датчика давления, уровня, перепада давления или датчиков расхода (дифференциального давления с квадратичной зависимостью выходного сигнала от измеряемого расхода), например, датчиков типа «Метран», «Сапфир».
Вторичные показывающие и регистрирующие приборы КСД-250 разработаны взамен комплекса КСД3 и применяются в системах регулирования и управления технологическими процессами в отраслях промышленности, где традиционно применялись приборы КСД 3: энергетике, пищевой, металлургической, химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и т. д.




Таблица 2.1.
Заменяемый прибор
КС 1, КС 2

РП 160
КСТЗ-С
КСД 3,

КСД 2,

КСД 1


Краткое описание
Базовая модель «Диск – 250»
Входной сигнал: «низкого» уровня непосредственно от датчиков температуры (термопреобразователей сопротивления и термопар) и «высокого» уровня (мА, В) от датчиков технологических параметров (уровня, расхода, давления).
Регистрация: дисковая диаграмма d 250 мм.
Сигнализация: трехпозиционная контактная
Регулирование: трехпозиционное бесконтактное или релейное пропорционально-интегральное (ПИ) токовое или пневматическое (прибор укомплектован электропневмопреобразователем ЭГП 324-выходной пневматический сигнал 0,2.. 1 кгс/см2 )
Преобразование: входного сигнала в унифицированный токовый 0..5 или 4..20 мА
Особенности “Диск – 250 И”
Входной сигнал: только от датчиков температуры, искробезопасная входная цепь уровня “ia” маркировка “ExiallC”
Регулирование: Лишь трехпозиционное бесконтактное, ПИ токовое или пневматическое
Особенности “Диск – 250 ДД”
Входной сигнал: только от датчиков давления или расхода (мА), в прибор встроены источник питания или устройство извлечения корня, линеаризующее показания и регистрацию расхода.
Особенности «Диск – 250 П»
Регулирование: только программное бесконтактное или программное релейное регулирующее устройство с типовой программной типа «трапеция» подъем, выдержка, спад (заменяет приборы КПЗ-ЛЭ, РУ-5 для трех участков регулирования)
Особенности «Диск – 250 ТН»
Входной сигнал: только от силоизмерительных тензорезисторных датчиков используемых в системах автоматического дозирования
Регулирование: лишь трехпозиционное релейное
Входной сигнал: от датчиков расхода, уровня, давления типа ДМ-3583М (мГн)
Регистрация: дисковая диаграмма d 250 мм.
Сигнализация: трехпозиционная контактная
Регулирование: трехпозиционное бесконтактное или релейное, ПИ токовое или пневматическое (прибор укомплектован электропневмопреобразователем ЭП 1324-выходной пневматический сигнал 0,2 1 кгс/см)
Преобразование: входного сигнала в унифицированный токовый (0..5 или 4..20 мА) или частотный (4..8 кГц) сигнал.
Рекомендуем заменять на прибор КСД-250 выпускаемый ранее прибор КСД 3

Тип прибора
Тип прибора
Аналоговые показывающие и регистрирующие приборы
Диск – 250 - 250И-
250ДД-
250П - 250ТН
Аналоговый показывающий и регистрирующий прибор КСД - 250

2.3 Методы измерения важнейших технологических параметров.
2.3.1.Измерение температуры
Температура – один из распространенных параметров, который приходится контролировать в различных средах: газовой, паровой, жидкостной и твердой.
В современной практике используется две температурные шкалы:
1. Международная практическая температурная шкала МПТШ с температурным интервалом 0-1000 . Температура по ней обозначается t=0C.
2.Абсолютная термодинамическая шкала, основанная на втором законе термодинамики, предложенная Кельвином. В этой шкале за нуль принята точка, лежащая ниже точки таяния льда на 273,160. Температура по этой шкале обозначается Т=К.
Соотношение значений температуры по этим шкалам описывается так: Т=t + 273,16.
В международной системе единиц СИ в 1961 г. основной единицей принят градус Кельвина. В России используют обе шкалы.
В зависимости от принципа действия приборы для измерения температуры делятся на следующие группы:
1. Термометры расширения, основанные на изменение объема термометрической жидкости или линейных размеров твердых тел, при изменении температуры и применяются для диапазона температур – 200+7500С;
2. Манометрические термометры, основанные на изменение давления, жидкости или пара в замкнутой среде при изменении температуры и применяются для диапазона измеряемых температур от –200 до +10000С.
3. Термоэлектрические термометры (термопары), основанные на термоэффекте и используемые для измерения температур в диапазоне от –200 до + 25000С.
4. электрические термометры сопротивления, основанные на изменении сопротивления проводников и полупроводников от температуры, используемые для измерения температур в диапазоне от –260 до +11000С.
5. Пирометры излучения нагретых тел от их температуры, используемые для измерения температур в диапазоне от +100 до +8000С.

Термометры расширения
К ним относится жидкостные стеклянные, биметаллические и дилатометрические термометры.
Жидкостные стеклянные термометры применяются для измерения температуры жидких и газообразных сред в диапазоне от –35 до 1001500С (иногда до 5000С). В качестве термометрической жидкости используют ртуть, спирт, толуол и т.п. они могут быть выполнены в виде термосигнализаторов, имеющих подвижный рабочий контакт, сигнализирующий достижение какой-либо определенной предельной температуры. Постоянная времени их примерно 2с., точность – десятые доли 0С. Недостатком является малая прочность и нерегулируемость.
Биметаллические и дилатометрические термометры. Принцип действия их основан на использовании свойства твердого тела изменять свои линейные размеры при изменении температуры. Для ограниченного интервала температур зависимость длины lt твердого тела от температуры t может быть выражена линейным уравнением вида lt = l0 (1 +
·
· t), где l0 - длина тела при температуре 0С;
· – средний коэффициент линейного расширения тела в интервале температур от 0 до t 0С.
Термометры сопротивления
Термометры сопротивления основаны на зависимости сопротивления проводников (металлов) и полупроводников от температуры R =f(t). При этом сопротивление металлических термометров (медных, платиновых) увеличивается с ростом контролируемой температуры в объекте и выражается зависимостью:
Rt = Rо
· (1 +
·
· t ), (2.7)
где Rо- сопротивление термометра при t = 0 0С;
· – температурный коэффициент электрического сопротивления, 1/град.
Серийно выпускаются платиновые термометры типа ТСП с несколькими стандартными градуировками 1П, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П для температур –250+1100 0С и медные типа ТСМ с градуировками 10М, 50М, 100М для температур –50+180 0С.Полупроводниковые термометры (термисторы), в отличии от металлических, обладают большим (на два порядка) температурным коэффициентом электрического сопротивления, при этом отрицательным. Это определяет большую точность измерения (0,005ч0,010С), что является их преимуществом. Температурная характеристика их выражается экспоненциальной зависимостью RT=A · e(В/Т) , где А и В –параметры, характеризующие материалы и конструкцию термометра; Т= t + 273є.
Недостатками термисторов являются:
1.Нелинейность температурной характеристики, вынуждающая выполнять измерительные приборы с нелинейной шкалой с разной точностью измерений на разных диапазонах шкалы.
2.Существенный разброс характеристик, что обуславливает их невзаимозаменяемость и ограничивает их распространение. Диапазон измеряемых температур их ниже, чем у металлических и составляет –90+180 0С.
Термоэлектрические термометры
Основаны на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения (спая) проводников имеют разную температуру.
Цепь из двух разнородных проводников (рис. 2.7.) называется термопарой. Спай с температурой t называется горячим. Спай с температурой t0 называется холодным или свободным. Проводники А и В называются термоэлектродами. Термоэлектрический эффект обусловлен наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов.

Рис.2.7. Схема термоэлектрического термометра
Если в спае с температурой t электроны из металла А диффундирует в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении, то проводник А заряжается положительно, а В – отрицательно.
Эффект нагревания или охлаждения спая двух разных металлов, будучи пропорционален току, служит доказательством того, что спай является местом возникновения термо-ЭДС. Это явление в 1854 г. Кельвин подтвердил экспериментально.
Для замкнутой цепи из двух проводников А и В, спаи которых нагреты до температуры  t и t0 (рис. 2.7.), обходя цепь против часовой стрелки, для суммарной термо-ЭДС получим следующее выражение:
ЕАВ (t, t0 )=еАВ (t)+еВА (t0). (2.8)
Если t= t0 , то ЕАВ (t0, t0 )=еАВ (t0)+еВА (t0)=0,
т.е еВА (t0) = - еАВ (t0). (2.9)
Тогда уравнение (2.8) примет вид
ЕАВ (t, t0 )= еАВ (t) - еАВ (t0). (2.10)
Приняв температуру холодного спая t0 =const, получим
ЕАВ (t, t0 )= f(t). ( 2.11)
Для конкретной термопары измерение температуры сводится к определению термо-ЭДС термопары.
На практике цепь (рис. 2.7) разрывается в месте холодного спая для подключения измерительного прибора (проводник С на рис 2.8).

Рис.2.8. Схема термоэлектрического термометра с проводником С
(измерительным прибором).

При этом в процессе измерения температура свободных концов термопары t0' может оказаться отличной от t0 при градуировке термопары (обычно t0 = 0 0 С, реже 20 0С), тогда необходимо вводить поправку:
ЕАВ (t, t0) = ЕАВ (t, t0') ± ЕАВ(t0', t). (2.12)
Знак (+) соответствует, если t0' > t0 ,а (-) – если t0' < t0 . Для автоматического учета поправки на изменение температуры свободных концов термопары в измерительной схеме приборов применяют специальные термостатирующие мосты.
На предприятиях химической промышленности наиболее распространенны следующие стандартные термопары:
Хромель-копелевая (ХК); хромель-алюмелевая (ХА); платино-платинородиевая (ПП) и др. Широкое распространение термопар ХК и ХА обусловлено их хорошей чувствительностью (0,069 мВ/град и 0,04 мВ/град) и линейностью. Диапазон измеряемых температур для них доходит соответственно до 600 0С и до 1100 0С. Термопара ПП применяется для измерения более высоких температур, до 1300-1600 0С.
Датчики температуры серии ''Метран''
В термопреобразователях серии ''Метран-200'' [44] обобщен метод проектирования и эксплуатации датчиков температуры аналогичного исполнения. Этот опыт, как отечественный, так и зарубежный, синтезирован в новых конструкциях датчиков, основанных на использовании технологий конверсионных предприятий, входящих в промышленную группу (ПГ) «Метран», а также ряда предприятий Уральского региона. В термопреобразователях серии «Метран-200» форма головки выполнена в стиле, согласующемся с конструктивным стилем датчиков давления серии «Метран». Размеры головки позволяют встраивать различные функциональные устройства, которые обеспечивают предварительную обработку измеряемого параметра и преобразовывают обработанный сигнал в форму, удобную для дальнейшей передачи информации, в том числе и на устройства верхнего уровня. Термопреобразователи «Метран-200» обладают следующими преимуществами по сравнению с аналогами: срок службы увеличен в 1,5-2 раза; основная погрешность термоэлектрических преобразователей снижена на 20-30%; рабочий диапазон окружающей температуры от –45 0С до +85 0С; степень защиты от пыли и влаги доведена до уровня 1Р65.
Термопреобразователи могут иметь изгибающийся кабель для установки в трудно доступные места, например в случае контроля температуры подшипников.
Термопреобразователи сопротивления медные и платиновые могут быть взрывозащищищенного исполнения.
2.3.2. Измерение давления
Приборы для измерения давления устанавливаются на магистралях, по которым подается технологический пар, сжатый воздух, жидкие вещества, на технологических объектах химического производства, в гидравлических линиях высокого давления для привода прессов.
Различают следующие виды давления: абсолютное Рабс, барометрическое атмосферного воздуха Рб., избыточное Ри и вакуумметрическое Рв.
Абсолютное давление Рабс- полное давление, под воздействием которого находится жидкость, газ или пар: Рабс=Рб+Ри.
Разность между абсолютным давлением и давлением окружающей атмосферы называется избыточным давлением: Ри=Рабс- Рб. .
Приборы для измерения давления называются манометрами.
Если абсолютное давление меньше барометрического, то разность между ними называется вакуумметрическим давлением (разрежением или вакуумом) Рв=Рб-Рабс .
Приборы для измерения вакуума называются вакуумметрами.
В международной системе единиц (СИ) в качестве основной единицы давления принят паскаль (Па), имеющий размерность ньютон на квадратный метр (Н/м2).
В качестве чувствительных элементов используются: манометрические трубки, мембраны, сильфоны (гофрированные стаканы). При этом измеряемое давление преобразуетсся в перемещение, которое тем или иным способом преобразуется в электрический сигнал, либо в перемещение показывающей стрелки.
Мембранные и сильфонные чувствительные элементы. Мембранные ЧЭ применяются для измерения небольших давлений (рис. 2.9).
В качестве материала мембран используются резина или кожа.
При давлении выше 10 000 Па применяют металлические (латунные, бронзовые и др.) мембраны или мембранные гофрированные коробки (а). При этом улучшается линейность характеристики и ход выходного штока с приводом стрелки. При более высоких давлениях используют сильфоны (чаще с пружиной) (б), которые обеспечивают больший ход h измерительного штока при хорошей линейности характеристики.

Рис. 2.9. Мембранный (а) и сильфонный (б) чувствительные элементы.

Широкое распространение получили сигнализирующие манометры типа ЭКМ, манометры с индуктивным съемом сигнала давления типа МЭД и самопишущие сигнализирующие манометры типа МСС и др.
Как уже отмечалось выше (в п. 2.2.1), все более распространенными и перспективными средствами измерения различных видов давления являются приборы на основе тензорезисторных чувствительных элементов.
Среди отечественных производителей датчиков давления, разрежения, разности давлений, расхода и уровня жидкостей для применения в различных отраслях промышленности Промышленная группа «Метран» прочно занимает лидирующее место [44].
Для нефтяной и газовой промышленности освоены в производстве коррозионностойкие датчики серии «Метран-49».
Датчики нового приборного комплекса «Метран-22» полностью взаимозаменяемы с датчиками комплекса «Сапфир-22». Поэтому датчики этого комплекса легко интегрируются в существующие системы автоматизации технологических процессов. При этом датчики «Метран-22» отличаются от аналогичных датчиков «Сапфир-22М» более высокой точностью, уменьшенной температурной погрешностью, простотой настройки и регулировки диапазона измерений, повышенной надежностью электронного преобразователя.
Принцип действия всех перечисленных выше датчиков основан на использовании пьезорезисторного эффекта в тонкой полупроводниковой пленке кремния, выращенной на поверхности монокристаллической подложки из искусственного сапфира. Монокристаллическая структура кремния на сапфировой подложке в виде плоской мембраны, воспринимающей измеряемое давление, позволяет обеспечить высокую стабильность метрологических характеристик и отсутствие гистрезиса при преобразовании механического выходного параметра в электрический сигнал. Кроме того, благодаря высоким диэлектрическим свойствам сапфира, сравнительно просто и надежно решена проблема создания датчиков искробезопасного исполнения, а также датчиков, отвечающим требованиям грозозащиты и выдерживающих без пробоя высокое напряжение и всплески электрического тока.
Наличие жидкокристаллического дисплея позволяет производить точные настройки датчика на месте установки, контролировать текущее значение измеряемого параметра в выбранных физических единицах или в миллиамперах выходного сигнала или в процентах выходного сигнала, измеряющегося в одном из стандартных диапазонов 0-5 или 4-20 мА.
2.3.3.Измерение уровня
Измерение уровня жидких сред часто осуществляется с помощью поплавковых и буйковых ЧЭ, которые преобразуют измерение уровня в перемещение и далее в электрический сигнал (рис.2.10) с помощью потенциометрических, индуктивных, дифференциально трансформаторных тензорезисторных и др. датчиков перемещения.

Рис.2.10. Схема измерения жидкости с помощью поплавкового ЧЭ: 1- емкость с жидкостью; 2 – поплавковый чувствительный элемент; 3- РО на линии притока жидкости (Qp); h – уровень жидкости; Qh – расход жидкости из емкости; 4- дифференциальнотрансформаторный преобразователь для дистанционной передачи сигнала об уровне жидкости.

Значительные усилия, развиваемые поплавковыми ЧЭ, позволяют часто объединить их с помощью рычага или другой механической передачи с РО и таким образом получить регулятор прямого действия. Промышленными регуляторами уровня прямого действия является сантехнический регулятор уровня, регулятор уровня типа РУ-16, поплавковый уровнемер УДУ-5. Класс точности поплавковых уровнемеров 1ч1,5.
Большое распространение получили кондуктометрические и емкостные уровнемеры (табл.2.2). Кондуктометрические уровнемеры работают по принципу замыкания стержневых электродов электропроводящей жидкостью и применяются при работе с растворами кислот, щелочей, красителей и т.д. В качестве датчиков здесь могут применятся металлические или угольные (для агрессивных жидкостей) электроды, которые обычно включаются в одно из плеч моста переменного тока, питание которого осуществляется от стабилизированного по частоте высокочастотного генератора. Емкостные уровнемеры применяются преимущественно для неэлектропроводных однородных жидкостей и основаны на преобразовании электрической емкости, изменяющейся прямопропорционально изменению уровня жидкости, в унифицированный сигнал постоянного тока.

Анализаторы состава жидкостей
1.Измерение кислотности (щелочности) растворов.
Кислотность (щелочность) растворов является одной из важных характеристик технологических процессов в химических производствах. Обычно она оценивается с помощью водородного показателя рН. Установлено, что в интервале температур 2025 єС ионное произведение воды КН2О=1·10-14. Это позволяет для любого водного раствора найти концентрацию ионов [ОН] при известной концентрации [Н] и наоборот

[OH] =
10-14
;
[H] =
10-14
. (2.13)


[H]


[OH]




Таблица 2.2.
Датчики уровня для нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслей

Тип датчиков
назначение

1.Поплавковые
СУЖ-П-И
Сигнализаторы уровня жидкости поплавковые (взрывозащищенные) для сигнализации предельных уровней жидкости.

ДДИ1
Датчики дискретно-индуктивные в комплекте с микропроцессорными контроллерами предназначенные для измерения уровня жидких продуктов, измерения уровня раздела несмешиваемых жидких продуктов, а также измерения температуры контролируемой среды.


2.БуйковыеУРБ-П,
УРБ-ПМ
Уравнемеры-регуляторы буйковые пневматические для работы в системах автоматического контроля и регулирования параметров производственных технологических процессов.


3.Емкостные
ДУЕ-1
Для измерения уровня электропроводных и неэлектропроводных однородных жидкостей.

ИУРМС
Измеритель уровня раздела многофазных сред (газ – нефть – эмульсия - вода - твердый осадок).

ИСУ100,
ИСУ-100И
Индикаторы-сигнализаторы уровня жидких и сыпучих сред, контроля заданных предельных положений уровня в двух точках и передачи информации на другие устройства АСУ.

СУ 100Р
СУ100Б
Сигнализаторы уровня с релейным и бесконтрольным выходом для контроля предельного положения в одной точке.

4.Кондуктометрические БКС
Для контроля уровня электропроводных жидких и сыпучих сред в одной или двух точках.

СУ300
СУ300И
Сигнализаторы обычного и взрывозащищенного исполнения для контроля от одного до трех предельных положений уровней.

5.Магнитострикционный- многоканальный
УМ-П01
Многоканальный (до 32) уровнемер предназначен для измерения уровня нефти и продуктов ее переработки с одновременным измерением уровня основного продукта и уровня подтоварной воды. Диапазон измерения 0,412м.


В любом нейтральном растворе и в воде концентрации ионов [Н] и [ОН] одинаков и равны 10 –7 г·ион/л. Если в водном растворе [Н] > [ОН] > 10-7 г·ион/л, то раствор имеет кислую реакцию. Если [Н] < [ОН] < 10-7 г·ион/л, то раствор имеет щелочную реакцию.
Для оценки концентрации водородных ионов введен показатель, представляющий значение отрицательного десятичного логарифма концентрации водородных ионов, который называется водородным показателем рН.
Для нейтральной среды рН = -lq·[10-7] = 7. (2.14.)
Распространены два метода измерения рН: кондуктометрический и гальванометрический. Кондуктометрический метод основан на определении электропроводности раствора сильных кислот и щелочей со значительным содержанием солей. Гальванометрический (потенциометрический) метод является основным для технических измерений и использует два электрода, один из которых измерительный, потенциал которого меняется в зависимости от концентрации ионов в контролируемом растворе, а другой – сравнительный,потенциал которого от свойств контролируемого раствора не зависит.
Упрощенная схема автоматического рН-метра со вторичным прибором (автоматическим электронным потенциометром) показана на рис.2.11. Измеряемая ЭДС электронной пары практически полностью уравновешивается выходным напряжением усилителя преобразователя Пр.

Рис.2.11. Схема автоматического рН-метра: 1 – емкость с раствором ;2 – электродная пара, состоящая из измерительного стеклянного электрода (ЭС) и вспомогательного каломельного электрода (ЭК); Пр – преобразователь ЭДС электродной пары; ВП – вторичный прибор (автоматический потенциометр).

Сила тока в цепи выходного усилителя преобразователя, пропорциональная величине рН контролируемого раствора, показывается на приборе преобразователя, шкала которого градуирована в единицах рН. Показания преобразователя могут передаваться на вторичный прибор, который не только показывает и регистрирует значение рН, но и может регулировать.
Промышленностью выпускается, например, рН-метр типа ПМК-У2., предназначенный для непрерывного измерения и регистрации величины рН кристаллизующихся, пленкообразующих растворов и пульп. Он может применяться для контроля величины рН в загрязненных сточных и оборотных водах, в технических растворах, на предприятиях химической, металлургической и нефтеперерабатывающей промышленностей. В комплект поставки входят: датчик, генератор ультразвуковой типа УЗГ-П (для очистки электродов), преобразователь П-210; регистрирующий прибор типа ДИСК-250-1221; комплект запасных частей и принадлежностей.
Изготовитель: НПО «Измерительная техника», г. Москва.
2.Анализаторы автоматические типа «Флюорат-АЕ2», «Флюорат-АА2» применяются для непрерывного контроля содержания соответственно нефтепродуктов и алюминия в потоке воды или для анализа серий проб. Определение концентрации нефтепродуктов производится флюоресцентным методом.
3. Измеритель содержания воды в нефтепродуктах ИВО-43 предназначен для автоматического анализа сырой нефти, бензина, керосина, углеводородного топлива, масла, смазки, твердых продуктов органического синтеза; имеет встроенный дисплей, аналоговый выход и разъем RS-232, проточную ячейку.
4.Хроматограф промышленный типа «Микрохром-1121» предназначен для качественного и количественного определения на потоке состава смесей органических и неорганических веществ, отбираемых на анализ в виде жидких или газообразных и паровых проб. Применяется в качестве датчиков состава в системах контроля и регулирования технологических процессов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств.

2.3.5. Влагомеры неводных жидкостей [ 40]
Влагомер сырой нефти типа ВСН-БОЗНА. Предназначен для непрерывного определения процентного содержания воды в добываемой нефти после предварительной сепарации свободного газа, вычисления средней по объему влажности нефти и объема чистой нефти при работе в комплекте со счетчиком жидкости на групповых замерных установках
Блок контроля качества нефти типа БКН. Предназначен для непрерывного определения, выдачи и регистрации параметров нефти (расхода, влагосодержания, давления, плотности, вязкости и температуры) в процессе учета и отбора объединенной пробы.
2.3.6. Измерение плотности и вязкости жидкостей [ 40]
1.Измерители плотности растворов типа ИПР-2 предназначены для применения в качестве стационарного промышленного средства измерения плотности и температуры агрессивных растворов кислот, солей, щелочей, органических растворителей и нефтепродуктов непосредственно в технологических процессах их получения или использования.
2.Индикатор вязкости поточный автоматический типа ИВП предназначен для непрерывного измерения вязкости нефтепродуктов и других жидкостей в технологических потоках. Определение динамической вязкости основано на зависимости от периода давления на капиллярной трубке при постоянном расходе и температуре жидкости.
2.3.7. Анализаторы газов [ 40]
1.Анализатор кислорода и оксида углерода типа АКВТ-02 предназначен для непрерывного измерения кислорода и оксида углерода в отходящих газах процессов сгорания различных видов топлива и выдачи унифицированного аналогового сигнала, а также для определения соотношения «воздух-топливо» в целях их оптимизации и минимизации выбросов вредных веществ в атмосферу.
2.Газоанализатор типа ГТВ-1101М предназначен для непрерывного измерения объемной доли водорода в кислороде, азоте, воздухе; кислорода в водороде, гелии, а также двуокиси углерода и азота в гелии.
3.Газоанализатор типа ГТМ-5101М предназначен для непрерывного измерения объемной доли кислорода в различных средах и применяется для работы на объектах нефте- и газопереработки, в химических и других отраслях промышленности. Принцип работы – термомагнитный. Выходные параметры аналогичны типу ГТВ-1101М.
4.Сигнализатор довзрывоопасных концентраций паров нефти с цифровой индикацией типа СТХ-18. Промышленный автоматический стационарный непрерывного действия двухпороговый одноканальный сигнализатор СХТ-18 предназначен для контроля довзрывоопасных концентраций совокупности паров нефти различных месторождений и суммы горючих газов и паров в воздухе производственных помещений и выдачи сигнализации о превышении установленных значений концентраций.
5. Газоанализатор типа «Меран-С» на сероводород находит широкое применение в химической и нефтехимической, газовой, текстильной, резино-перерабатывающей, нефтеперерабатывающей промышленностях и городском коммунальном хозяйстве. Газоанализатор представляет собой стационарный автоматический непрерывного действия показывающий сигнализирующий прибор. Количество каналов измерения – 3.
6.Газоанализатор многоканальный типа па АНКАТ-762. Предназначен для непрерывного контроля токсичных газов (СО, Н2S, SO2 , Cl2 ) на уровне ПДК рабочей зоны. Применяется на нефтеперерабатывающих заводах. Изготовитель: ФГУП СПО «Аналитприбор», г. Смоленск.
2.3.8. Измерение количества и расхода жидкостей и газов
Приборы для измерения количества и расхода вещества широко применяются на производстве как для контроля за ходом технологического процесса, так и для учета расходования сырья, топлива, выработки продукции и т. д. Необходимо различать понятия «количество» и «расход». Под понятием «количество вещества» имеют ввиду количество вещества, прошедшее через данное сечение трубопровода за некоторый промежуток времени (смену, сутки, месяц и т.д. ) , а под «расходом»- количество вещества, прошедшее через данное сечение трубопровода в единицу времени. Количество вещества измеряется счетчиками количества. Приборы, применяемые для измерения расхода вещества, называются расходомерами. Количество вещества выражают в единицах массы (кг), либо объема (м3). Единицами измерения расхода вещества служат массовые единицы (кг/с, кг/ч) и объемные (м3/с, м3/ч).
Соотношение единиц объемного ( Qоб ) и массового ( Qм ) расходов определяется формулой QМ= Qоб ·
· ,
где
· - плотность вещества, кг/м3. Наиболее распространенными являются расходомеры: по переменному перепаду давления, постоянного перепада давления и электромагнитные.
Расходомеры по переменному перепаду давления (рис.2.12) основаны на зависимости перепада давления в сужающем устройстве (диафрагме, сопле и т.д.)
·Р=(Р1- Р2) от скорости потока жидкости Vп.. Скорость потока жидкости при постоянном сечении трубопровода определяет расход жидкости Qп. Таким образом статическая характеристика этого расходомера представляет собой зависимость Qп=f (
·p).

Рис.2.12. схема расходомера по перепаду давления:
1 – труба; 2 – сужающее устройство (диафрагма);
3 – дифференциальный манометр (ДМ); 4 – вторичный прибор (ВП);
Р1 и Р2 – давление контролируемой среды до и после сужающего устройства.

Для измерения разности давления
·p применяются приборы, называемые дифференциальными манометрами (дифманометрами). Рассмотрим мембранный дифманометр (рис 2.13).
Измеряемая разность давления
·р = (Р1-Р2 ) вызывает соответствующий прогиб мембраны, вызывающий перемещение потока 3, связанного с сердечником преобразователя 4. В зависимости от положение сердечника на выходе преобразователя образуется сигнал Uвых, передаваемый на вторичный прибор дифференциально-трансформаторной системы типа КСД.

Рис 2.13. схематическое устройство мембранного дифманометра:
1 – мембранная коробка; 2 – жесткий центр; 3 – шток;
4 – дифференциально–трансформаторный (в частности) преобразователь для дистанционной передачи показаний.

за последние годы все больше распространение получают дифманометры из серии тензорезисторных приборов, например, типа «Сапфир –22», «Метран –22».
В измерение расхода по переменному перепаду давления наступила новая эра [30]. Датчики перепада давления покупают в 2 раза чаще, чем их ближайших конкурентов по способам измерения расхода. Несмотря на то, что внедряются новые способы измерения расхода, обладающие определенными достонствами, расходомеры по перепаду давления остаются наиболее популярными.
Сегодня многопараметрическая технология в сочетании с инженерным решением по измерению (EMS) расхода, используемые в датчике моде. 3095MV, еще более усовершенствовали этот всемирно распространенный стандарт измерения расхода.
Многометрический массовый расходомер «Maltivariable™» мод. 3095МV обеспечивает эффективные по затратам измерения расхода как жидкостей, так и газообразных веществ и паров. Это компактное устройство с высокой точностью измеряет перепад давления, статическое давление и температуры и температуру процесса. Он обеспечивает идеальный переход от существующих измерений нескомпенсированного объемного расхода по перепаду давления к скомпенсированным по давлению и температуре измерениям массового расхода. Это дает возможность провести оптимизацию установок без изменения существующих трубопроводов и предоставить информацию в масштабе реального времени для стабилизации массовых и тепловых потоков в технологическом узле или во всей установке. Датчик выдает сигнал 420 мА, который пропорционален массовому расходу и может быть использован для измерения, регулирования и управления. Значения расхода представлено также в цифровом формате.
Все большее применения находят массовые расходомеры Micro Motion [44] моделей basis, D, Elite, обеспечивающие прямое измерение массового расхода, что делает их самыми точными в мире, они не имеют ограничений на состав, вязкость и характер течения измеряемой среды (газ, пар, жидкость, в том числе агрессивные, эмульсии, суспензии, тяжелые и вязкие среды, такие как сырая нефть, мазут, битум, гудрон). Сенсор расходомера основан на эффекте Корполиса.
Для технологического и коммерческого учета расхода и объема воды и водных растворов в составе теплосчетчиков или счетчиков – расходомеров в заполненных трубопроводах систем водо- и теплоснабжения разработан преобразователь расхода вихреакустический Метран – 300 ПР.

3. Автоматические системы регулирования
технологических параметров

Цель автоматического регулирования, являющегося частным случаем автоматического управления, состоит в обеспечении заданного алгоритма функционирования – закона изменения некоторого технологического параметра (регулируемой величины). В частном случае регулируемую величину требуется поддерживать на заданном постоянном уровне.
Задача автоматического регулирования здесь сводится к поддерживанию равенства x2( t ) = x1( t ), ( 3.1)
где x1(t) – требующееся изменение регулируемой величины во времени (заданное изменение); x2(t) – действительное изменение регулируемой величины во времени.
Для решения задач автоматического регулирования широко применяются линейные автоматические системы регулирования (АСР), важным видом которых являются одноконтурные АСР.
На стадии проектирования линейных АСР необходимо прежде всего выбрать закон регулирования в соответствии с динамической характеристикой объекта и характером внешних воздействий на систему. Внешние воздействия могут быть в виде изменения сигнала задания регулируемой величины (воздействие по заданию) либо возмущений на объект, рассматриваемых в общем случае на входе объекта (возмущение по нагрузке). Параметры настройки регулятора выбирают исходя из требований устойчивости системы и необходимых показателей качества регулирования.
Для ликвидации нежелательных последствий возмущающих воздействий, необходимо с помощью ИМ и РО вручную или автоматически осуществлять регулирующее воздействие на объект для обеспечения равенства (3.1).

3.1. Классификация автоматических систем регулирования

Классификация АСР производится по довольно большому количеству признаков, рассмотрим ее в классическом варианте.
1.По принципу регулирования различаются два типа АСР:
АСР по отклонению характирезуется тем, что регулирующее воздействие на объект регулирования формируется в зависимости от отклонения текущего значения регулируемой величины от заданного. На этом принципе были разработаны первые промышленные регуляторы уровня воды И.И. Ползуновым (1765 г.) и скорости Дж. Уаттом (1784 г.).
АСР по возмущению ( принцип компенсации) характеризуется тем, что измеряя возмущающее воздействие на объект регулирования и формируя соответствующее регулирующее воздействие на объект, можно обеспечить независимость работы системы от этих возмущающих воздействий. Такие АСР, инвариантные (независимые) от возмущающих воздействий (рис. 3.1), отличаются быстротой реакции и хорошими характеристиками по устойчивости и качеству регулирования. Однако сложность измерение всех возмущающих воздействий создает трудности в реализации подобных систем и поэтому они не получали широкого распространения.
Как видно из рис. 3.2, здесь измеряется не возмущение, а отклонение регулируемой величины от заданного закона изменения – ошибка
·(t). Если

· (t)
· 0, автоматический регулятор создает регулирующее воздействие у(t)

Рис. 3.1 Функциональная схема АСР по возмущению:
ОР - объект регулирования; БИ – блок измерения; БУП – блок управления; ИЭ – исполнительный элемент; f(t)- возмущающее воздействие; АР – автоматический регулятор.

Рис. 3.2. Функциональная схема АСР пол отклонению:
ОР – объект регулирования; БИ – блок измерения; БЗ – блок задания; ЭС – элемент сравнения; БУП – блок управления; ИЭ – исполнительный элемент; АР – автоматический регулятор.



на объект регулирования, ликвидирующее ошибку до допустимой величины. Системы, работающие по ошибке (отклонению), образуют замкнутый контур и поэтому называются замкнутыми системами. Благодаря наличию связи между выходом объекта и входом автоматического регулятора образуется, так называемая, обратная связь. А так как на элементе сравнения при определении ошибки происходит вычитание x2(t) из x1(t), то обратная связь называется отрицательной. Поэтому АСР, работающие по ошибке, представляют собой системы с отрицательной обратной связью, которая служит для измерения результата действия системы. Обе рассмотренные системы относятся к одноконтурным АСР.
Принцип обратной связи широко используется в технике, не только в АСР. То есть обратные связи присутствуют в измерительных и вычислительных устройствах, усилителях и т. д. Взаимодействие человека с различными техническими устройствами часто также происходит при наличии обратных связей, т.к. человек постоянно контролирует результат своего вмешательства в работу того или иного устройства, агрегата и т.п. Таким образом, принцип обратной связи является одним из основных принципов управления и регулирования, а АСР, работающие по ошибке, наиболее распространены в различных отраслях промышленности.
Однако АСР по отклонению имеют и определенный недостаток: чтобы ликвидировать отклонение регулируемой величины от заданного значения, необходимо наличие этого отклонения, тогда как в АСР по возмущению ликвидируется сама причина возникновения ошибки. Объединением обоих принципов регулирования в одной АСР создается комбинированная АСР, лишенная недостатков каждой из систем в отдельности. Наличие в ней разомкнутого контура обеспечивает независимость регулируемой величины от одного из наиболее значительного по своему влиянию возмущения. А наличие замкнутого контура (обратной связи) ликвидируют влияние всех других возмущающих воздействий и неточностей компенсации.
2. По характеру изменения заданного значения регулируемой величины xзд(t) = x1(t) АСР подразделяются на:
системы стабилизации, предназначенные для поддержания заданного значения регулируемой величины объекта, xзд(t) = const;
системы программного регулирования, в которых регулируемая величина объекта изменяется по заданной программе, xзд(t) = f (t);
следящие системы регулирования, в которых характер изменения выходной величины зависит от характера изменения какой-либо входной величины объекта, xзд(t)
· f(t).
3. АСР в зависимости от свойств системы в установившемся режиме разделяют на статические и астатические.
Статические системы характеризуются наличием остаточного отклонения регулируемой величины в установившемся состоянии равновесия, а величина отклонения при этом зависит от величины возмущающего воздействия на объект.
Астатические системы характеризуются отсутствием остаточных отклонений в установившемся состоянии равновесия.
Для статистической АСР (рис. 3.3,а) характерно то, что в установившемся состоянии количество расходуемой жидкости Qнагр (нагрузка) равно количеству поступающей через регулирующий орган жидкости Qпит. Следовательно при изменении Qнагр будет устанавливаться новое состояние равновесия со значением уровня h, которому будут соответствовать новое положение регулируемого органа (РО) и новое количество поступающей жидкости. Таким образом, новое значение регулируемой величины hуст в установившемся состоянии будет несколько отличаться от hзад, т.к. новому положению РО соответствует новое положение чувствительного элемента (поплавка), соответствующее h.

Рис 3.3. АСР уровня жидкости статическая (а) и астатическая (б).

Для астатической АСР уровня (рис 3.3,б) характерно то, что при отклонении уровня от состояния равновесия появляется разбаланс потенциометра П, сигнал с которого подается на двигатель М. Последний через редуктор Р перемещает РО (заслонку), изменяя количество подливаемой жидкости Qпит. Уровень жидкости восстанавливается до исходного (заданного) значения, при котором восстанавливается баланс потенциометра и двигатель М останавливается.
4. По способу передачи сигналов между элементами автоматической системы АСР подразделяются на системы непрерывного и дискретного действия.
Непрерывные АСР характеризуются тем, что входная и выходная величины ее являются непрерывными функциями времени.
Дискретные (прерывистые) АСР характеризуются тем, что содержат хотя бы один элемент, в котором при непрерывном изменении входного сигнала выходной сигнал изменяется дискретно.
5. Автоматические системы бывают линейными и нелинейными.
Линейные системы описываются линейными уравнениями.
Нелинейные системы описываются нелинейными уравнениями и более сложны при анализе их.
Большинство систем при анализе их оказываются нелинейными. Однако в ряде случаев, учитывая малые отклонения величин, с которыми работают системы в реальных технологических режимах, практически их можно считать линейными и соответственно пользоваться методом анализа линейных АСР.
3.2. Объекты регулирования и их свойства
Обоснованный выбор и расчет регулятора в первую очередь определяется достоверностью математической модели объекта регулирования (ОР) (машина, аппарат, технологический процесс), к которому подключается автоматический регулятор, обеспечивающий поддержание или изменения по заданным условиям какого-либо параметра объекта.
Технологический процесс, как правило, характеризуется несколькими регулируемыми величинами. Например, в тепловом объекте регулирования выходными величинами (наряду с температурой) могут быть уровень, давление, химический состав среды и другие. Таким образом, промышленные установки представляют собой сложные объекты с несколькими регулируемыми величинами. Однако такие объекты можно расчленить (декомпозировать) на ряд простых объектов, характеризуемых одной регулируемой величиной. В простейшем виде объект регулирования можно представить в виде некоторого объема или емкости, в которые непрерывно поступают и из которого одновременно отбираются вещество или энергия.
Установившийся режим в объекте, характеризуемый неизменным значением регулируемой величины, наступает при равенстве количества поступающего и расходуемого вещества или энергии. При изменении нагрузки или появлении других возмущающих воздействий (например, изменение параметров объекта, изменение окружающей среды и др.) включая изменение по каналу регулирующего воздействия (например, напряжение питающего тока, температура и давление технологического пара и т.д.), возникают нарушения установившегося состояния. Восстановление равновесия достигается путем изменения регулирующего воздействия на объект.
Объекты регулирования характеризуются следующими свойствами: самовыравниванием, емкостью и запаздыванием.
Самовыравнивание – свойство объекта самостоятельно восстанавливать нарушенное состояние равновесия за счет изменения регулируемой величины. Объекты с самовыравнивание – статические объекты, а без самовыравнивания – астатические (рис.3.4.).
Статические объекты характеризуются коэффициентом самовыравнивания или обратным ему коэффициентом передачи объекта, а астатические объекты – скоростью разгона.
Емкостью объекта называется свойство объекта регулирования накапливать энергию или вещество. Объекты бывают одноемкостные и многоемкостные. Одноемкостные объекты характеризуются одной постоянной времени.
Запаздывание (время запаздывания) характеризуется временем между моментом нанесения возмущающего воздействия (в частности, изменением входной величины) и началом изменения регулируемой (выходной) величины. При этом различают: переходное или емкостное запаздывание и транспортное или чистое запаздывание.
Переходное (емкостное) запаздывание обусловлено передачей воздействия через распределенные емкости многоемкостного объекта и определяется отрезком на оси времени, отсекаемым касательной, проведенной к наиболее крутой части кривой разгона (рис.3.4.).

а) б)
Рис.3.4. Типовые характеристики разгона объектов:
а) – объект с самовыравниванием; б) – объект без самовыравнивания.
Транспортное (чистое) запаздывание характеризуется временем передачи воздействия от момента нанесения его до места его реализации (вход в объект). Например, при передаче вещества по транспортеру или трубопроводу это есть время, в течении которого отсутствует отклонение регулируемой величины после нанесения воздействия на транспортер или трубопровод.
Свойства объектов регулирования определяются из их математических моделей, которые получаются аналитическим или экспериментальным способами. Аналитический способ построения математической модели объекта осуществляется на основе физико-механических закономерностей, определяющих характер процессов в объекте, сопряжен с большими трудностями, а уравнения математической модели получаются достаточно сложными. Поэтому часто снимают экспериментальные динамические характеристики объекта (кривые разгона, импульсные характеристики, частотные характеристики) и по ним определяют параметры объекта регулирования, используемые в дальнейшем для выбора закона регулирования и расчета оптимальных параметров настройки регулятора. При экспериментальном определении динамических характеристик обычно используются не абсолютные значения текущих величин, а их отклонения от номинального, установившегося или начального значения. Поэтому в получающихся дифференциальных уравнениях, передаточных функциях используются приращения
·x,
·y,
·
· и т.д. Но с целью упрощения написания уравнений знак
· опускается и уравнение записывается с применением обозначений самих величин x, y,
· и т.д., но подразумевая на самом деле под этими обозначениями их отклонения.
Объекты регулирования можно представить определенной комбинацией типовых динамических звеньев. Так, одноемкостные объекты с самовыравниванием представляют последовательным соединением двух типовых звеньев: апериодического (инерционного) и запаздывающего звеньев. А объекты без самовыравнивания представляют последовательным соединением интегрирующего и запаздывающего звеньев. Большинство объектов удовлетворяют таким допущениям. На рис.3.4. приведены типовые характеристики разгона таких объектов, изображающие изменения выходной величины xвых при ступенчатом входном воздействии
·. Здесь же показана методика определения параметров.
Основными параметрами объектов являются следующие:
Для объектов с самовыравниванием
Коэффициент передачи объекта
К0=
Хуст – Х0
, (3.2)



·


определяемый в единицах изменения выходной величины на единицу перемещения регулирующего органа.
Постоянная времени Т0 в секундах. Она определяется отрезком на оси абсцисс между точками пересечения вертикалей, опущенных из точек пересечения касательной с начальным и установившимся значениями выходной величины на ось абсцисс.
Время запаздывания
·0 в секундах, которое определяется отрезком оси абсцисс от начала приложения входного воздействия до точки пересечения вертикали, опущенной из точки пересечения касательной с начальным значением выходной величины
Передаточная функция (см. определение 3.8.2.) такого объекта будет иметь вид
W0 (p) = [ K0 / (T0
· p + 1)]
· e -
·0
·p . (3.3)

Для объекта без самовыравнивания:
Время разгона Та в секундах до значения выходного параметра, принятое за номинальное; оно определяется отрезком на оси абсцисс между точками пересечения вертикалей, опущенных из точек пересечения касательной с начальным и номинальным значениями выходной величины на ось абсцисс.
Скорость разгона

·0 = [ ( XНОМ – Х 0) / Та ] /
· , (3.4)
определяется в единицах изменения выходной величины в секунду на единицу перемещения регулирующего органа. Этот параметр можно рассматривать как коэффициент передачи объекта без самовыравнивания, представляющий отношение скорости изменения выходной величины к величине входного воздействия.
Время запаздывания
·0 в секундах, которое определяется отрезком на оси абсцисс от начала приложения входного воздействия до точки пересечения вертикали, опущенной из точки пересечения касательной с начальным значением выходной величины на ось абсцисс.
Передаточная функция такого объекта имеет вид
W0 (p) = (
·0 / p )
· e -
·0
·p . (3.5)
При обработке характеристик разгона касательная к кривой разгона проводится для объектов с самовыравниванием в точке перегиба кривой, характеризуемой наибольшей скоростью изменения выходной величины (см. рис. 3.4,а). Для объектов без самовыравнивания она соответствует участку установившейся скорости изменения выходной величины (рис. 3.4,б).

3.3. Автоматические регуляторы и законы регулирования

Классификация линейных регуляторов
По функциональному назначению и конструктивному исполнению
регуляторы можно квалифицировать следующим образом:
1. По виду регулируемой величины: регуляторы температуры, давления, уровня, влажности и т. д.
2. Регуляторы прямого и непрямого действия: в регуляторах прямого действия измерительное устройство без дополнительного источника энергии непосредственно воздействует на регулируемый орган, через который проходит в объект вещество или энергия; в регуляторах непрямого действия имеется блок усиления и преобразования, который питается от дополнительного источника энергии и усиливает мощность выходного сигнала до величины, способной управлять мощными регулирующими органами с большими потоками вещества и энергии.
3. В зависимости от рода вспомогательной энергии различают регуляторы электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные (например, электропневматические и др.).
В большинстве случаев предпочтение отдается электрическим регуляторам благодаря компактности, малой массе, небольшим габаритам, возможности управлять на больших расстояниях, широкими возможностями усиления и преобразования сигналов.
В тех случаях, когда требуются большие усилия и моменты для привода рабочих органов, и необходимо соблюдать условия взрыво- пожаро-безопасности применяют гидравлические или пневматические регуляторы, обладающие высокой надежностью в работе и сравнительной простотой в обслуживании. Однако потребность в больших сетях трубопроводов, необходимость иметь насосные и компрессорные станции значительно усложняет автоматическую систему при использовании таких регуляторов. Распространенными являются комбинированные регуляторы, в которых измерительная часть – электрическая, а исполнительный элемент – гидравлический или пневматический.
4. По функциональной зависимости между регулирующим воздействием у( t ) и отклонением регулируемой величины от заданного значения
· (t)
у (t) = f (
·(t)),
различаются регуляторы, работающие по определенным типовым законам. Уравнения, определяющие закон регулирования, могут быть линейными и нелинейными. Часто на практике уравнения регуляторов упрощают, пренебрегая нелинейностями, когда это возможно.
Для АСР, действующих по отклонению регулируемой величины от заданного значения, закон регулирования в общем виде записывается так
y( t ) = F·[
·(t) ]. (3.6) Первая часть выражения (3.6) может содержать не только ошибку
·, но и ее производные и интегралы. Производные и интегралы вводятся в закон регулирования для улучшения свойств АСР - повышение устойчивости, точности и качества процесса регулирования.
Рассмотрим выражение(3.6) применительно к типовым законам регулирования.
Пропорциональный закон регулирования (П-регулятор) – простейший регулятор, в котором регулирующее воздействие у(t) зависит только от ошибки
·(t)
у(t) = КР·
·t, или у = КР·
·, (3.7)
где КР называется коэффициентом усиления регулятора.
В промышленных регуляторах предусмотрена возможность изменения КР и поэтому он является параметром настройки регулятора. Изменяя КР, мы изменяем величину регулирующего воздействия, соответствующую одной и той же ошибке
·(t). Достоинства регулятора – его простота. Недостатки – регулятор не может полностью ликвидировать ошибку.
Интегральный закон регулирования (И-регулятор). Статическую ошибку можно исключить, если использовать интегральный закон регулирования
у = КИ
·
· dt (3.8)
Коэффициент КИ = 1/ТИ, где ТИ- параметр настройки регулятора, называемый постоянной времени интегрирования
Недостаток регулятора: динамические свойства хуже, чем у П-регулятора, т. е. процесс регулирования отстает от процесса появления и изменения отклонения, что приводит (рис.3.5.) к слабо затухающим колебаниям регулируемой величины около заданного xЗАД ее значения (удлиняется время регулирования).
Пропорционально-интегральный закон регулирования (ПИ-регулятор). Устранить недостаток и сохранить преимущества пропорционального и интегрального регуляторов позволяет регулятор, обеспечивающий закон регулирования:
У = КР
· (
· + 1 /ТИ
·
·
·dt ), (3.9)


Рис. 3.5. Характер изменения регулируемой величины (хВЫХ)
в П-регуляторах (кривая 1) и в И-регуляторах (кривая 2 )

Как видно, ПИ-регулятор имеет два параметра настройки – КР и ТИ. Параметр ТИ характерезует интенсивность ввода интеграла в закон регулирования.
Пропорционально-дифференциальный закон регулирования (ПД-регулятор). Введение в закон регулирования производной отклонения регулируемой величины улучшает динамические свойства АСР,
y = КР
· (
· + T Д
· d
·/dt). (3.10)
Регулятор имеет два параметра настройки – КР и ТД.. Коэффициент ТД называется временем дифференцирования, или временем предварения, т.к. наличие производной в законе регулирования обуславливает реакцию не только на саму ошибку
·, но и на тенденцию ее изменения, как бы предвидя развитие событий.
Пропорционально – интегрально - дифференциальный закон регулирования (ПИД-регулятор) описывается уравнением

y = КР
· (
· + 1 /ТИ
·
·
·dt + T Д
· d
·/dt) . (3.11)
Наличие трех составляющих в законе регулироврания (3.11) позволяет добиваться высокого качества процесса регулирования как при установившемся режиме, так и при неустановившихся режимах работы АСР.
Выше рассмотренные законы регулирования являются наиболее простыми, линейными и непрерывными. Для более сложных АСР, например, комбинированных, применяются регуляторы, закон регулирования которых содержит в правой части слагаемые, зависящие от измеряемого возмущения
f (t), его интегралов и производных.
Нелинейные законы регулирования

Наиболее распространенными среди этих законов являются релейные законы, при этом наиболее часто применяется двухпозиционный релейный закон регулирования. В этом случае регулирующий орган может занимать два фиксированных положения (позиции), соответствующее двум фиксированным значениям регулирующего воздействия, вырабатываемого релейным двухпозиционными регуляторами (Рп-регуляторами).

3.4.Усилительно-преобразовательные устройства

Усилитель является одним из основных элементов большинства систем автоматического контроля, регулирования и управления, так как мощность, развиваемая чувствительным элементом (датчиком) недостаточна (во многих случаях) для формирования управляющего воздействия. Эта мощность равна 10-4 ч 10-5 Вт и не позволяет привести в действие последующие исполнительные элементы автоматической системы. Уже известный вам термоэлектрический термометр развивает на выходе сигнал всего лишь в несколько десятков mВ.
В зависимости от необходимой мощности для управления приводами ИМ и используемой в них видов энергии различают следующие усилители:
Электронные (ЭУ), когда требуется выходная мощность не более 100 ч 150 Вт;
Магнитные усилители, отличающиеся простотой и надежностью, но имеющие определенные недостатки (сложность получения большого входного сопротивления, чувствительность к изменению температуры среды, большие габариты и масса, чем у ЭУ);
Тиристорные усилительно-преобразовательные устройства, наиболее распространены, так как обеспечивают большую выходную мощность и обладают компактностью устройства;
Пневматические усилители для пневматических ИМ;
Гидравлические усилители для гидравлических ИМ.

3.5. Реле

Реле - это устройство автоматики, преобразующее заданное значение контролируемой величины в скачкообразное изменение состояния управляемой цепи (например, ее замыкание или размыкание).
Реле широко используется в управлении поточно-транспортной системой (ПТС) различных технологических процессов, а так же для программного управления отдельным оборудованием (стиральная машина, аппараты химчистки, холодильники и т.д.).
Реле бывают электрическими, гидравлическими, пневматическими и комбинированными. Среди электрических реле большое распространение получили электромеханические реле, которые в свою очередь подразделяются на: электромагнитные (постоянного и переменного тока), магнитоэлектрические, электродинамические, индуктивные и электротермические. В свою очередь реле постоянного тока подразделяют на нейтральные и поляризованные. Нейтральное реле одинаково реагирует на постоянный ток обоих направлений, протекающий по обмотке. Действие поляризованного реле зависит от направления тока.
Реле времени. В практике управления технологическим процессом и отдельным оборудованием часто возникает необходимость включения цепей управления по истечению определенного времени после достижения регулируемым параметром заданного значения. Для этой цели применяются реле времени (РВ).
Замедление срабатывания (отпускания) реле, обеспечивающее задержку появления (исчезновения) выходного сигнала после подачи (снятия) входного сигнала, осуществляется электрическими (схемными), механическими или конструктивными методами. РВ бывают: а) тепловые; б) моторные; в) электронные (полупроводниковые); г) электромагнитные с электронным, пневматическим и др. механическими замедлителями. Выдержка времени бывает от долей секунд до нескольких минут.
Реле имеют разные наборы контактов: замыкающие и размыкающие с выдержкой времени при замыкании или размыкании входных цепей реле, а так же мгновенно срабатывающие контакты.
Серийно выпускаются : электронные реле времени серии ВЛ; моторные реле времени серии МРВ; программные реле серии ВС-10; а так же командные электропневматические приборы типа КЭП-12 для управления до двенадцатью электрическими и пневматическими цепями.
Герконы - это особый тип реле, представляющий наполненную инертным газом герметизированную стеклянную ампулу с контактными пружинами, помещенную внутри цилиндрической катушки. При пропускании тока по катушке контактные пружины притягиваются друг к другу и замыкают управляющую цепь. Эти реле отличаются высокой надежностью и малыми размерами, частота срабатываний может достигать сотен герц. Диаметр ампулы реле равен 5 мм, а ее длина 20мм. Срок службы их достигает 108-1012 циклов, тогда как у выше рассмотренных реле он составляет 106 циклов.
3.6.Исполнительные механизмы и регулирующие органы.

Исполнительное устройство АСР состоит из двух функциональных блоков: исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО). Исполнительный механизм под действием управляющего воздействия регулятора y(t) преобразует вспомогательную энергию в перестановочное усилие, благодаря чему перемещается затвор регулирующего органа, изменяющего, например, количество вещества или энергии, поступающего в объект (подача пара, электроэнергии, газа и т.п.). Дополнительно с помощью ИМ решаются и другие задачи управления: пуск и останов самого технологического процесса, а также различных машин и механизмов по ходу процесса.
Основными требованиями к ИМ являются: повышенная надежность, быстродействие, минимальные габариты и масса, защита от перегрузок, возможность перехода (если не работает автоматика) на ручное управление, простота реверсирования, пожаро- и взрывобезопасность .
Исполнительные механизмы бывают: электрические, пневматические, гидравлические, а так же комбинированные.
Достоинством электрических ИМ является возможность дистанционного управления и простота конструкции. Они в свою очередь подразделяются на электродвигательные и электромагнитные (соленоидные).
Электродвигательные исполнительные механизмы. Основным элементом их конструкции является электродвигатель. Как правило используются двигатели переменного тока. В зависимости от диапазона поворота выходного вала ИМ бывают однооборотные и многооборотные. Важными характеристиками ИМ являются номинальный крутящий момент на валу (Н· м), который указывается в числителе индекса механизма, и время одного оборота вала (с).
Позиционные ИМ предназначены для перемещения регулирующего органа в одно из фиксированных положений . Примерами таких ИМ являются механизмы для двухпозиционного регулирования типа ДР-М, ДР-1М и др. Эти ИМ чаще работают в комплекте с двухпозиционными регуляторами.
Пропорциональные ИМ обеспечивают перемещение РО в соответствии с величиной управляющего воздействия. К ним относятся ИМ типа ПР-1М, ПР-М, ИМ-2/120, МЭО и др. Пропорциональные ИМ используются в системах, оснащенных регуляторами непрерывного действия.
Системы управления ИМ делятся на релейно-контактные и бесконтактные. Релейно-контактное управление осуществляется посредством различных реле, трехфазных релейных контакторов и магнитных пускателей. Основным недостатком релейно-контактных систем управления электроприводами ИМ является их пониженная надежность, что связано с подгоранием и залипанием контактов. Поэтому в последние десятилетия все большее распространение стали получать бесконтактные системы управления электродвигательными ИМ.
Релейно-контактное управление ИМ. Блок-схема управления может быть представлена в следующем виде

Рис.3.6. Блок-схема релейно-контактного управления ИМ.

Сигнал управления регулирующего устройства у(t), которым в частности может быть выходной сигнал чувствительного элемента xчэ (например, положение поплавкового уравнемера), воздействует на включение реле, которое своими контактами включает реверсивный магнитный пускатель МП, включающий соответствующую фазу силовой цепи (Силов. цепь) питания реверсивного двигателя РД, выходной вал которого сочленен с редуктором (Ред), управляющим РО, а последний изменяет свое положение на увеличение или уменьшение количества вещества или энергии в объект регулирования.
Бесконтактное управление ИМ. Для такого управления часто используются дроссели насыщения или магнитные усилители МУ. В общем случае блок-схему управления ИМ бесконтактным способом можно представить так:

Рис.3.7. Блок-схема бесконтактного управления ИМ.

В этих схемах обязательным является применение усилителей У, обусловленное тем, что мощности выходного сигнала xчэ ЧЭ (датчика), несущего информацию об изменении технологических параметров, как правило очень малы.
Электромагнитные ИМ. По виду движения исполнительного органа они подразделяются на ходовые и электромагнитные муфты с вращательным движением. Электромагнитные ИМ применяются в системах позиционного (чаще двухпозиционного) регулирования, а также для привода различных механизмов в системах автоматического дистанционного управления. Основным рабочим органом ИМ с прямолинейным движением является тяговый электромагнит (соленоид). Применяются электромагнитные приводы как переменного, так и постоянного тока, однако последние используются реже, так как требуют дополнительных выпрямительных устройств.
Основными достоинствами электромагнитных ИМ являются простота конструкции и высокое быстродействие (по сравнению с электродвигательными механизмами). Однако они развивают меньшие перестановочные усилия и отличаются меньшей надежностью в работе.
Схема электромагнитного соленоидного клапана дана на рис.3.8. При замыкании управляющего контакта К электромагнит ЭМ возбуждается и втягивает якорь, в результате чего клапан открывается. При размыкании контакта К якорь электромагнита под действием возвратной пружины перемещается вниз и клапан закрывается.

Рис.3.8.Схема электромагнитного клапана

Электромагнитная муфта является связующим звеном между приводом и рабочим механизмом. Они подразделяются на муфты фрикционного сухого трения, вязкого трения индукционные.
Пневматические ИМ особо удобны в условиях центрального пневмохозяйства, не требующего использования индивидуальных компрессоров. Существенным достоинством их является взрыво- и пожаробезопасность, а также самоблокировка при аварийном отключении питания.
В пневматических исполнительных механизмах механизмах усилие, необходимое для перестановки регулирующего органа, создается управляющим сигналом в виде давления сжатого воздуха Ру,, действующего на мембрану или поршень (рис. 3.9), которые через шток воздействуют на РО (рис.3.10).


а) б)
Рис.3.9. Схемы мембранного (а) и поршневого (б) исполнителных механизмов
1-шток; 2-пружина; 3-мембрана; 4-поршень.



а) б)
Рис. 3.10. Схемы регулирующих органов:
а– односедельного; б – заслоночного; 1-корпус; 2-затвор; 3-шток; 4-заслонка.

Прямолинейные мембраны или поршневые ИМ, дополненные рычажной передачей, создают поворотное перемещение регулирующего органа (например, заслонки в трубопроводе).
Пневматический мембранный ИМ, сочлененный с РО, называют пневматическим регулирующим клапаном (рис.3.11). По виду запорного устройства пары затвор-седло пневматические клапаны делятся на односедельные и двухседельные. Первые имеют неуравновешенный затвор, так как на него действует выталкивающая сила среды, и поэтому применяются в ИУ малых размеров при низких давлениях среды. Вторые имеют уравновешенный затвор и используются в ИУ больших размеров и при высоких давлениях.


а) б)
Рис. 3.11. Схемы пневматических регулирующих клапанов:
а – нормально открытого (НО); б – нормально закрытого (НЗ);
1-корпус; 2-затвор; 3-шток; 4-пружина; 5-мембрана

Пневматические регулирующие клапаны могут быть «нормально открытыми» и «нормально закрытыми».
Кроме представленных на рис.3.11, регулирующие органы могут быть в виде шаровых затворов (кранов).
Гидравлические исполнительные механизмы в основном бывают поршневого типа. Они применяются при давлении рабочей жидкости в диапазоне 2,5· 106ч 2· 107 Па, следовательно могут развивать большие перестановочные усилия при небольших размерах.

Управление приводами
Задачей системы управления приводами является организация пуска и торможения машин и механизмов, переход с одной ступени скорости на другую, реверс и осуществление этих операций в определенной последовательности во времени или по командам от машин, завершивших очередную технологическую операцию. Эти функции, как правило, являются логическими, определенная их очередность выполнения представляет жесткую программу выполнения операций и реализуется на релейно-контактной аппаратуре при относительно небольшом числе срабатываний ее в час или на бесконтактной аппаратуре, например, тиристорных переключателях и др., при большом числе срабатываний.
Основными элементами релейно-контактных систем автоматики являются реле, контакторы, магнитные пускатели, кнопки управления, командоконтроллеры, универсальные переключатели, технологические датчики, конечные и путевые выключатели и др.
Контактор - это двухпозиционный аппарат с самовозвратом, предназначенный для частых включений и отключений в силовых цепях. В качестве пускорегулирующей аппаратуры дистанционного действия они применяются для управления приводами мощностью до 20 кВт. Контакторы обладают высокой механической износоустойчивостью и обеспечивают до 1500 срабатываний в час.
Магнитные пускатели - это специальные пусковые устройства, состоящие из одного или двух контакторов, тепловых реле и кнопок управления, применяемые в основном при управлении пуском, реверсом, остановом трехфазных асинхронных двигателей.
На рис. 3.12 приведена схема дистанционным управлением асинхронным двигателем с одного места, в котором имеются силовые цепи подключения двигателя к питающей сети, цепи управления с кнопками управления, катушками контакторов и вспомогательными контактами, а также цепи сигнализации с сигнальными лампами и вспомогательными контактами.


Рис. 3.12. Принципиальная схема управления асинхронным двигателем
с магнитным пускателем.

Общие принципы построения релейных схем на примере схем блокировки при кнопочном управлении сводятся к следующему. При блокировке в результате взаимосвязи отдельных элементов обеспечивается определенная последовательность включения ряда устройств (механизмов) или выполнения технологических операций. Так, для нормального функционирования схемы с кнопочным управлением применяют самоблокировку в виде параллельного включения замыкающего контакта К. Благодаря этому после включения контактора с помощью кнопки КнП «Пуск» цепь питания катушки сохраняется независимо от положения кнопки.
Для бесконтактного управления асинхронными приводами в силовую цепь включают тиристорные коммутаторы. Тиристорные устройства благодаря небольшим габаритным размерам и массе, практической безинерционности, хорошим надежностным характеристикам управления, оказываются вне конкуренции со всеми другими устройствами преобразования и управления.

Основные характеристики элементов
и линейных автоматических систем регулирования
непрерывного действия

Исследование элементов и автоматических систем регулирования (управления) связано с изучением процессов, в них протекающих. Характер этих процессов описывается с помощью различных зависимостей, основанных на определенных физико-механических законах, лежащих в основе функционирования элементов систем. Эти характеристики отражают чисто математическую связь между входными и выходными величинами и не зависят от функционального назначения, принципа действия и конструктивного выполнения элементов системы. Поэтому ,такие характеристики для различных физических элементов (устройств) могут иметь одинаковый вид, что свидетельствует об однотипности характера протекающих в них процессов.
АСР и АСУ состоят из связанных между собой функциональных элементов. Поэтому характеристики системы в целом можно получить из характеристик отдельных ее элементов.
Элемент системы характеризуется сигналами на входе и выходе. Различают статические и динамические характеристики элементов и систем.
Статическая характеристика устанавливает зависимость между входной (xвх) и выходной (xвых) величинами элементов и систем в установившемся состоянии равновесия:
xвых= f (xвх). (3.12)
Эта зависимость может быть линейной и нелинейной. Реальные статические характеристики в большинстве нелинейны. Однако, учитывая сравнительно небольшой диапазон величин, в которых обычно работают физические системы, можно часто их представить линейными характеристиками.
При наличии существенной нелинейности статических характеристик приходится принимать меры конструктивного или схемного характера, иначе приходится учитывать нелинейность при расчетах АСР.
Динамические характеристики показывает зависимость между выходной и входной величинами во времени.
xвых = f (xвх , t). (3.13)
Они наиболее полно отображают свойства элементов системы и поэтому в дальнейшем используются в качестве основных характеристик при исследовании элементов и систем. Динамические характеристики в теории автоматического управления описываются дифференциальными уравнениями, передаточными функциями, временными и частотными характеристиками.

3.8.1.Дифференциальные уравнения для элементов и систем

Вывод дифференциальных уравнений элементов системы – сложная творческая работа, при которой допускаются определенная идеализация процесса, пренебрежение отдельными факторами, рассмотрение частных случаев и т.д.
Математические описания элементов и систем осуществляются на основе физических, электрических, механических и др. законов, на которых основана работа элементов.
Учитывая сложность математического описания динамики процессов в элементах, часто прибегают к упрощенным уравнениям, с помощью которых получают приближенные решения исходной задачи.
Анализ линейных систем существенно проще, чем анализ нелинейных систем. Поэтому часто применяют линеаризацию нелинейных уравнений, то есть приведение нелинейных уравнений к линейным. Линеаризация основана на том, что в динамическом процессе автоматической системы все переменные изменяются так, что их отклонения от установившихся значений все время достаточно малы. Такое допущение справедливо, так как цель любой автоматической системы состоит в том, чтобы не допустить отклонений регулируемой величины (а значит, и всех параметров) от заданного значения. Основная идея метода линеаризации заключается в разложении исходного уравнения в ряд Тейлора в окрестности некоторой базовой точки, соответствующей заданному значению регулируемой величины, и вычитания из полученного уравнения в приращениях уравнения для установившего состояния. Таким образом, получают новое приближенное уравнение, которое отличается от исходного нелинейного тем, что входящие в него переменные заменены их малыми приращениями.
Геометрическая интерпретация метода линеаризации нелинейной функции xвых =f(xвх) представлена на рисунке 3.13.

Рис 3.13. Линеаризация нелинейности.

Преобразование первоначальной нелинейной функции путем разложения в ряд Тейлора в окрестности точки А с координатами xвх 0 и xвых 0 и вычитания уравнения для установившегося режима равносильно замене исходной кривой на касательную, проведенную через точку установившегося режима.
При этом замена кривой на касательную всегда происходит с ошибкой (на рис. 3.13 заштрихована), величина которой увеличивается с увеличением отклонения аргумента от базового значения. Как видно, чем меньше
·x, тем меньше ошибка линеаризации. С другой стороны возможность линеаризации тем шире, чем ближе линеаризуемая кривая к прямой.
При невозможности линеаризации пользуются методом решения нелинейных уравнений.
Наиболее сложной задачей является составление математического описания объекта регулирования (управления). Начинают описания с нахождения уравнений его материального или энергетического балансов (за бесконечно малый промежуток времени dt), выявления кинетических закономерностей, гидродинамических условий и т.п.
Составим математическое описание смесителя постоянного объема V, обеспечивающего идеальное перемешивание жидкости (рис. 3.14).

Рис 3.14. схемы смесителя двух жидкостей (а) и его динамических каналов (б).

В смеситель подаются жидкости, расходы и концентрации которых соответственно равны F1, Q1 и F2 , Q2. Выходной величиной смесителя является состав жидкости Q в смесителе и на выходе из него, а входными переменными – величины потоков на входе F1 и F2, а также концентрация Q1. Причем Q1 > Q >Q2.
Для нахождения уравнения динамики смесителя составим полный материальный баланс, а также материальный баланс с учетом концентрации вещества в каждом потоке за промежуток времени dt.
F1 + F2 =F, (3.14)
F1Q1 ·dt+ F2 Q2·dt =V·dQ+ FQ·dt, (3.15)
где F – расход жидкости на выходе из смесителя. Преобразуем уравнение (3.15) с учетом (3.14.)
V
·
dQ
+( F1 + F2) ·Q = F1·Q1+ F2·Q2
(3.16)


dt




Данное уравнение нелинейно, т. к. три его слагаемых представляют собой произведение переменных величин. Линеаризуем его, заменив каждую переменную на сумму базисного значения и приращения. Получим:

V
d
·Q
+ F10·Q+F10·
·Q0+Q0·
·F1+ F20·Q0+F20·
·Q+Q0·
·F2=
(3.17)


dt





=F10·Q10+F10·
·Q1+ Q10·
·F1+ F20·Q2+ Q2·
·F2







где базисные значения, обозначены теми же буквами, что и сами переменные, но с индексом нуль, и характеризуют равновесное состояние.
Уравнение смесителя при равновесном состоянии имеет вид

F10Q0+ F20·Q0=F10·Q10+ F20·Q2 (3.18)

Вычтем почленно уравнение (3.14) из уравнения (3.13), одновременно учитывая, что F10+F20= F0 , и найдем уравнение смесителя в приращениях
V
d
·Q
+ F0
·Q = F10·
·Q1+( Q10 - Q0 )·
·F1 - ( Q0 - Q2 ) ·
·F2.
. (3.19)


dt




Из этого уравнения следует, что концентрация вещества Q в смесители возрастает с увеличением Q1 и F2, т.к. Q10 > Q0, и понижается с увеличением F2, т.к. Q0 > Q2 по условию.
Подставляя в уравнение (3.15.) относительные величины

y=

·Q
; z=

·Q1
; х1=

·F1
; х2=

·F2
,


Q0

Q10

F10


·F20


получим:
VQ0

+ F0Q0 у= F10·Q10 z+( Q10
·Q0 ) · F10· x1
·(Q0
·Q2) · F20· x2
. (3.20)


dt




Разделив все слагаемые уравнения (3.20) на сомножители F0Q0, окончательно найдем
Т0

+ у =k1 · z +k2· х1
· k3· х2
(3.21)


dt




где Т0 = V/F0 – постоянная времени объекта; k1, k2 , k3, - коэффициент усиления по каналам Q1
· Q0 , F1 – Q , F2 – Q .

к1=
F10 Q10
, К2=
F10 (Q10
· Q0)
, К3=
F20 (Q0
· Q2)
.


F0 Q0

F0 Q0

F0 Q0



Таким образом, по всем трем каналам прохождения сигналов рассматриваемый смеситель представляет собой устойчивый объект 1-го порядка; его устойчивость объясняется наличием внутренней обратной связи.
Уравнение динамики смесителя в операторной форме будет:
(Т0 р +1) у = k1·z + k2·х1
· k3·х2 . (3.22)
Передаточная функция объекта по его каналам описывается равенствами:
W1(p)=
к1
, W2(p)=
К2
, W3(p)=
К3
.


(Т0р +1)

(Т0р +1)

(Т0р +1)



Уравнению (3.22) соответствует структурная схема, приведенная на рис. 3.15.
Подробнее об операторной форме уравнения (3.22) и понятие передаточной функции будет рассмотрено в разделе 3.8.2.


Рис. 3.15. Структурная схема смесителя двух жидкостей

В общем случае элементы и системы автоматического регулирования могут описываться линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами следующего вида:
а0
d n хвых
+ a1
d n-1 хвых
++an-1
d хвых
+ an
·хвых =



dtn

dt n-1

dt



=b0
d m хвх
+ b1
d m-1 хвх
++bm-1
d хвх
+ bn
·хвых
, (3.23)


dt m

dt m-1

dt



при этом в реальных системах n > m.

3.8.2. Передаточные функции

При исследовании АСР широко используются прикладные математические методы операционного исчисления, существенно облегчающие задачу исследования сложных систем регулирования. В частности, в теории автоматического регулирования используют преобразование функции вещественного переменного (времени) в функцию комплексного переменного, называемого преобразованием Лапласа.
Преобразованием функции-оригинала x(t) называется функция x(p) комплексного переменное p = a + j
·, определяемая интегралом Лапласа

·
x(p) =
· x(t)
· e-p
· t dt . (3.24)
0
Символически преобразования Лапласа изображается следующим образом L[x(t)]= x (p).
Применение преобразования Лапласа превращает дифференциальные уравнения в алгебраические, что упрощает дальнейшее решение задач по описанию и расчету систем регулирования.
Для упрощения пользования преобразованием Лапласа составлены таблицы преобразований наиболее часто встречающихся функций и определены основные свойства преобразований Лапласа.
Применив преобразование Лапласа к дифференциальному уравнению (3.23) при нулевых начальных условиях (при t = 0, x (t) = 0, x'(t) = 0 и т.д.), получим уравнение, записанное в операторном виде,
(aор n + a1p n-1 + + an-1p + an) xвых(p) =
= (b0p m + b1p m-1 + + bm-1p + bm) xвх(p). (3.25)
На основе уравнения (3.25) получается выражение для передаточной функции:
W (p)=
хвых(р)
=
b0p m + b1p m-1 + + bm-1p + bm
=
В(р)
. (3.26)


хвх(р)

aор n + a1p n-1 + + an-1p + an

А(р)



Таким образом, передаточной функцией W(p) называется отношение преобразований Лапласа выходной величины к преобразованию Лапласа входной величины, найденных при нулевых начальных условиях.
Для быстрого определения W(p) по виду исходного дифференциального уравнения (3.23) существует формальное правило: необходимо предварительно заменить все производные на p в соответствующей степени, а затем разделить правую часть уравнения на левую. Например, d2 x/dt2 заменяют на p2, dx/dt на p, х на 1 и т.д.

3.8.3. Временные характеристики
Временной характеристикой, кривой разгона, называется зависимость изменения выходной величины во времени, полученная при ступенчатом изменении выходной величины. При единичном входном воздействии характеристика называется переходной, и в этом случае ее обозначают h(t). Из выражения (3.26) можно записать хвых(р) = W(р)·хвх(р). Учитывая, что преобразование Лапласа для единичного входного воздействия [хвх(t) = 1] будет L[1] = хвх(Р) = 1/Р, то переходная функция в операторном виде запишется так: хвых(Р) = W(Р)/Р.
Для обратного преобразования Лапласа в целях определения переходной функции можно воспользоваться формулой Хевисайда:
h(t) =

+
n


· е ркt
(3.27)


A(0)


·
А(рк)




B(0)


рк
· В' (рк)






k=1




где рк – корни уравнения А(р) = 0.
3.8.4.Частотные характеристики

Если в выражении для передаточной функции вместо р поставить j
·, то получим комплексную частотную характеристику W(j
·), называемую амплитудно-фазовой частотной характеристикой (АФЧХ). Ее можно выразить через вещественную и мнимую составляющие, а также амплитудное и фазовое значение:
W(j
·) = Р(
·) + j · Q(
·) = А(
·) · e j
·(
·) , (3.28)

где Р(
·) и Q(
·) – соответственно вещественная и минимальная составляющие АФЧХ; А(
·) – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), показывающая относительное изменение амплитуд выходного сигнала, по отношению к амплитуде входного сигнала от частоты
· входных колебаний;
·(
·) - фазочастотная характеристика (ФЧХ) , показывающая зависимость фазы выходных сигналов от частоты
· входных колебаний.
Частотные характеристики можно получить и экспериментально: если на вход системы подать гармоническое воздействие хвх с частотой
· и амплитудой Авх, то через определенное время на выходе также установятся гармонические колебания с частотой
·, но с амплитудой сигнала Авых и сдвинутые по фазе на
·(
·).
Графически годограф АФЧХ (3.38) представлен на рис.3.16.


Рис.3.16. Амплитудно-фазовая частотная характеристика

3.8.5.Типовые динамические звенья АСР

Звенья АСР могут иметь различные физические принципы действия, различные схемы и конструктивные формы, а также назначения. Однако с точки зрения динамических свойств звена, имеют значения лишь уравнения, связывающие выходную и входную величины звена. В классическом варианте выделяется обычно семь типовых звеньев: 1. Безинерционное звено;2.Инерционное звено; 3.Интегрирующее звено; 4.Дифференцирующее звено; 5.Колебательное звено; 6. Упругое (интегро-дифференцирующее) звено;7. Запаздывающее звено.
1.Безинерционное (статическое) звено. Оно называется также пропорциональным или усилительным звеном и описывается простейшим алгебраическим уравнением
хвых = К
·хвх, (3.29)
где К – коэффициент передачи.
Выходная величина этого звена пропорциональна входной величине. Примеры такого звена показаны на рис 3.17. Из (3.29) имеем:
хвых (р) = К· хвх (р), (3.30)
и тогда передаточная функция будет:
W(p) =
хвых (р)
= К .
(3.31)


хвх (р)




Рис. 3.17. Примеры безинерционного звена:
а- потенциометр; б –рычаг; в – редуктор.

Переходная функция звена получается из алгебраического уравнения при подаче на вход единичного воздействия.
h(t)=K. (3.32)

рис 3.18. характеристики безинерционного звена:
а - переходная функция; б – АФЧК; в – АЧХ; г – ФЧХ.

Как видно, АФЧХ представляет собой точку на действительной оси комплексной плоскости, АЧХ постоянна для всех значений частот, а фазовый сдвиг равен нулю
·(
·) = 0
2.Инерционное (апериодическое) звено. Описывается следующим дифференциальным уравнением первого порядка.
Т
dxвых
+xвых = K
· хвх
(3.33)


dt



где Т – постоянная времени, К – коэффициент передачи.
Примеры систем, эквивалентных инерционному звену, представлены на рис 3.19.

Рис.3.19. Примеры апериодического звена: Рис.3.20. Переходная функция (а)
а – RC-контур; б – одноемкостной гидра- и амплитудно-фазовая частотная
влический объект; в – магнитный усили- характеристика (б) апериодическо-
тель; г – двухфазный асинхронный двига- го звена.
тель.

Переходная функция инерционного звена представляет собой экспоненту с постоянной времени Т (рис. 3.20, а)
h(t) = K·(1-e-t/T) . (3.34)

Передаточная функция звена будет
W(p)=
хвых (р)
=
К
(3.35)


хвх (р),

Тр + 1


Амплитудно-фазовая характеристика звена

W(j
·)=A(
·)·ej
·(
· ) =
K

· e- j
·arc tg(T
· ) . (3.36)



· 1 + (Т
·)2



Итак, рассмотрев различные системы, относящиеся к двум типовым динамическим звеньям, мы показали, что они могут описываться общими уравнениями, устанавливающими связь между выходными и входными величинами. Ограниченность объема учебного пособия не позволяет рассмотреть подробно остальные типовые динамические звенья. Приведем лишь некоторые их характеристики (Табл 3.1) [47].
Таблица 3.1.




























































3.8.6. Основные виды соединений звеньев системы
Различные сложные соединения звеньев основываются, в основном, на трех типовых соединениях: последовательном, параллельном встречно-параллельном (соединение с обратной связью). Рассмотрим их основные уравнения.
Последовательное соединение звеньев (рис.3.21). Передаточная функция «n» последовательно соединенных звеньев, равна произведению передаточных функций этих звеньев.
n
WЭ(р) =
хвых.. п (р)
=W1(p)
· W2(p) Wп(р) =
· Wi(p) . (3.37)


хвх (р)


i=1

Рис.3.21. Схема последовательного соединения звеньев.

Параллельное соединение звеньев (рис.3.22).

Рис.3.22. Схема параллельного соединения

Передаточная функция параллельного соединения звеньев Wэ(р) равна сумме передаточных функций этих звеньев:
Wэ(р) =
n
Wi(p).
(3.38)



·




i=1



Соединение с обратной связью (рис.3.23) характеризуется наличием цепи передачи выходного сигнала на вход системы. Обратная связь является основой работы замкнутых систем, действующих по отклонению регулируемой величины. В системах автоматического регулирования бывает обратная связь основная, как правило отрицательная, и дополнительные обратные связи, предназначенные для коррекции динамических характеристик отдельных звеньев. Последние могут быть как отрицательными, так и положительными.

Рис. 3.23. Схема системы с обратной связью

Как видно, выходной сигнал прямой цепи, он же выходной сигнал системы хвых(р), через цепь обратной связи в виде хос(р) подается на выход системы. Результат рассогласования
·(р) входного сигнала и сигнала обратной связи подается на выход системы. На основании несложных рассуждений с учетом вышеприведенных правил для последовательного и параллельного соединения звеньев получаем выражение для передаточной функции замкнутой системы:
W(p) =
хвых(р)
=
Wпр(р)
, (3.39)


хвх(р)

1± Wпр(р)
·Wос(р)


где знаки (+) и (-) соответствуют отрицательной и положительной обратной связи.
На основе приведенных трех типов соединений звеньев создаются более сложные структурные схема реальных АСР.

3.8.7.Устойчивость одноконтурных АСР

Понятия об устойчивости. Одним из важных и необходимых условий работоспособности АСР является их устойчивость. АСР находится в состоянии равновесия, если регулируемая величина не изменяется во времени.
Процесс регулирования устойчив, если после отклонения АСР от положения равновесия и устранения возмущения, вызвавшего это отклонение, она вновь с течением времени возвращается к исходному состоянию.
Различаются три вида состояний равновесия: 1) устойчивое; 2) безразличное; 3) неустойчивое. Эти виды равновесия схематически иллюстрируются на рис.3.24. с помощью различного расположения шариков.

Рис.3.24. Схема, иллюстрирующая виды равновесия:
а – безразличное равновесие;
б и г – устойчивое равновесие; в – неустойчивое равновесие.

Математически задача устойчивости была решена А.М.Ляпуновым. Так как это решение справедливо для малых отклонений, то при исследовании исходят из линеаризованных дифференциальных уравнений. В соответствии с вышеприведенным определением устойчивости системы ее поведение характеризуется свободным движением. Решение дифференциального уравнения системы состоит из свободной и вынужденной составляющих. Вынужденная составляющая движения определяется возмущающими воздействиями и свойствами самой системы. Свободная же составляющая движения определяется только свойствами самой системы и по характеру свободного движения можно судить об основных динамических показателях системы.
Поэтому при исследовании устойчивости систем анализируют свободную составляющую решения, которая аналитически получается из однородного дифференциального уравнения (с нулевой правой частью):

а0
d n хвых
+ a1
d n-1 хвых
++an-1
d хвых
+ an
·хвых = 0
. (3.40)


dt n

dt n-1

dt




Решение уравнения (3.40) записывается так:
xвых (t) =
n
Ck
· e pк
· t
(3.41)



·




к=1



где Ск –постоянная интегрирования; рк – корни характеристического уравнения исходного дифференциального уравнения.
Характеристическое уравнение имеет вид:

a0 рn + a1 pn-1 + + an-1 p + an = 0 (3.42)

и совпадает со знаменателем передаточной функции W(p) = B(p)/A(p), поэтому может быть определено из W(р), приравниванием к нулю ее знаменателя А(р) = 0.
Система автоматического регулирования будет устойчива, если с течением времени все составляющие решения (3.41) стремятся к нулю. Корни характеристического уравнения (3.42) могут быть вещественными (в т.ч. и нулевые), комплексными и мнимыми:
рк =
·к ; рк =
·к ±j
·к; рк = ± j
·к.
Графики решений (3.41) имеют вид, представленный на рис. 3.25.

Рис.3.25. Переходные процессы для различных видов корней характеристического уравнения системы: а- вещественные корни, б,в – комплексные.

Как видно из графиков (рис.3.25) решений, переходные процессы при отрицательной вещественной части комплексных корней – имеют вид затухающих колебаний, а при мнимых корнях имеем незатухающие колебания.
Таким образом, для устойчивой линейной системы автоматического регулирования необходимо и достаточно, чтобы вещественные части всех корней характеристического уравнения были отрицательными.
Однако сложность вычисления корней характеристического уравнения АСР (в период до появления современных средств вычислительной техники) вызвала необходимость косвенных методов оценки устойчивости систем, названных критериями устойчивости.
Критерии устойчивости. Существует ряд алгебраических критериев устойчивости (Гурвица, Раусса, Вышеградтского И.А.), основанных на определенных соотношениях коэффициентов характеристического уравнения. Уровень сложности этих критериев зависит от порядка характеристического уравнения.
На практике часто отдают предпочтение частотным критериям устойчивости (в частности критерию Найквиста).
Частотный критерий устойчивости Найквиста (рис. 3.26). Этот критерий получил широкое применение в практике расчетов систем автоматизации благодаря ряду достоинств:
-для анализа устойчивости системы по этому критерию используется амплитудно-фазовая частотная характеристика разомкнутой системы, которая может быть получена как аналитическим, так и экспериментальным путем, что особенно важно;
-использование АФЧХ разомкнутой системы позволяет без риска для АСР, которая может оказаться неустойчивой в замкнутом состоянии, оценить ее устойчивость в замкнутом состоянии до аппаратурного замыкания.


Рис. 3.26. К определению устойчивости системы
по критерию Найквиста

Основная формулировка критерия Найквиста сводится к следующему: АСР, устойчивая в разомкнутом состоянии, будет устойчива и в замкнутом состоянии, если амплитудно-фазовая частотная характеристика разомкнутой системы не охватывает точку с координатами (-1; j0).

3.8.8. Качество АСР
Показатели качества. Условие устойчивости АСР является необходимым, но недостаточным для практического применения системы, ибо переходный процесс в системах может быть слишком медленным, либо слишком колебательным, либо отличаться недопустимыми отклонениями регулируемой величины. Поэтому система должна отвечать определенным показателям качества регулирования. Оценка качества АСР осуществляется по характеру переходного процесса в системе, получаемого при воздействии на него наиболее типичных возмущений. Чаще всего в качестве типового возмущающего воздействия используют ступенчатое входное воздействие, характеризующее наиболее тяжелый режим работы оборудования. Это может быть режим пуска, останова, сброса нагрузки и т.д.
хвх(t) = 0 при t > 0,
хвх(t) = а при t < 0, где а – константа.
На рис.3.27 приведены переходные процессы при обработке по управляющему (рис.3.27,а) и возмущающему (рис.3.27,б) воздействиям.



Рис.3.27. Показатели качества переходного процесса.

Основными показателями качества процесса регулирования являются следующие.
Перерегулирование
· характерезует максимальное динамическое отклонение регулируемой величины х1 от исходного состояния равновесия. При этом для переходного процесса по управляющему воздействию (по заданию хзд), показанному на рис.3.27,а, перерегулирование выражается в % от установившегося значения регулируемой величины:

· = [(х1 – х уст ) / х уст] · 100. (3.43)
При регулировании по возмущающему воздействию перерегулирование определяется по отношениям двух соседних амплитуд колебаний (рис.3.27,б):

·= ( |х2| /х1)·100. (3.44)
Время регулирования tр - это промежуток времени от момента нанесения воздействия и соответствующего отклонения регулируемой величины до момента возвращения ее регулятором к исходному значению с точностью ±5% величины максимального динамического отклонения регулируемой величины х1 (при регулировании по возмущению) или до момента достижения регулируемой величиной нового заданного значения с точностью ± 5% (при регулировании по управляющему воздействию).
Остаточное отклонение
· – отклонение регулируемой величины в новом установившемся режиме от заданного значения при регулировании по управляющему воздействию, т.е.
· = хзд – хуст, а при регулировании по возмущающему воздействию
· характеризует отклонение регулируемой величины от исходного при окончании процесса регулирования (3.27,б).
Итак, остаточное отклонение характеризует статическую точность системы регулирования.
Перерегулирование и время регулирования являются основными показателями качества и тесно взаимосвязаны. Действительно, перерегулирование связано со скоростью, с которой регулируемая величина подходит к установившемуся значению, и чем выше эта скорость, тем больше перерегулирование и колебательность переходного процесса .
При уменьшении этой скорости в целях в целях уменьшения перерегулирования , т.е. улучшения динамической точности, происходит увеличение времени регулирования, что также нежелательно. Поэтому принимают компромиссное решение, допуская некоторое перерегулирование, например, в 2045% , при котором обычно получается переходный процесс с 2 ч 3 колебаниями.
Итак, все показатели сводятся к двум основным показателям: статической и динамической точности регулирования.
Для уменьшения величины статической ошибки, а следовательно повышения точности регулирования, необходимо увеличить коэффициент усиления системы. Однако увеличение коэффициента усиления системы ведет к снижению запаса устойчивости. Это видно, например, из критерия устойчивости Найквиста, т. к. увеличение коэффициента усиления системы увеличивается модуль А(
·) амплитудно-фазовой характеристики, приближая его к критической точке [-1, j0],снижая тем самым запас устойчивости системы.
Поэтому приходится идти на компромисс, допуска определенную величину статической ошибки регулирования, при которой обеспечивается необходимый запас устойчивости системы.
Методы оценки качества переходного процесса. Анализ качества АСР наиболее полно можно осуществить, построив переходный процесс. Существует ряд методов построения переходного процесса, которые отличаются друг от друга степенью трудоемкости и точности. В инженерной практике чаще пользуются приближенными методами оценки качества переходных процессов на основе либо графика вещественной частотной характеристики замкнутой системы, либо расположения корней характеристического уравнения системы на комплексной плоскости корней.
Частотный метод оценки качества. Метод позволяет установить ряд текущих зависимостей, дающих возможность оценить качество переходного процесса без его построения, но на основе анализа вещественной частотной характеристики Р(
·) замкнутой системы, связанной интегральным соотношением с переходным процессом h(t):

·
h(t)=
2

·
H(
· )

·sin
·t
·d
·
(3.45)



·


·



0

При определенных затруднениях непосредственного вычисления интеграла (3.45), прибегают к графическому вычислению указанных интегралов. Для этого вещественную частотную характеристику разбивают на типовые трапециидальные или треугольные характеристики, для которых переходные
n
процессы табулированы (h
· (t)), а далее находят h(t)=
·h
· (t).
i=1

3.9. Многоконтурные АСР

Удовлетворительное качество регулирования в простейшей одноконтурной системе с использованием стандартных типовых законов можно обеспечить лишь при благоприятных динамических характеристиках объекта. Большинство же промышленных объектов химической технологии характеризуется значительным чистым запаздыванием и большими постоянными времени. В этих случаях даже при оптимальных настройках регуляторов одноконтурные АСР характеризуются большими динамическими ошибками, низкой частотой регулирования и длительными переходными процессами. Для повышения качества регулирования необходим переход от одноконтурных АСР к более сложным системам, использующим дополнительные (корректирующие) импульсы по возмущениям или вспомогательным выходным координатам. Такие системы кроме обычного стандартного регулятора содержат вспомогательные регулирующие устройства – динамические компенсаторы или дополнительные регуляторы.
По характеру корректирующего импульса различают следующие многоконтурные АСР: комбинированные, сочетающие обычный замкнутый контур регулирования с дополнительным каналом воздействия, по которому через динамический компенсатор вводится импульс по возмущению; каскадные – двухконтурные замкнутые АСР, построенные на базе двух стандартных регуляторов и использующие для регулирования кроме основной выходной координаты дополнительный промежуточный выход; с дополнительным импульсом по производной от промежуточной выходной координаты.
3.9.1. Комбинированные АСР
Комбинированные системы регулирования применяются при автоматизации объектов, подверженных действию существенных контролируемых возмущений.
На рис. 3.28. приведен фрагмент функциональной схемы автоматизации выпарной установки, в которой одним из наиболее сильных возмущений является расход питания. Основная задача регулирования – стабилизация концентрации упаренного раствора за счет изменения расхода греющего пара – выполняется регулятором 1.


Рис.3.28.Пример комбинированной системы регулирования
концентрации упаренного раствора:
1-регулятор состава; 2 – динамический компенсатор.

Кроме сигнала регулятора, на клапан, регулирующий подачу пара, через динамический компенсатор 2 поступает корректирующий импульс по расходу питания.


Рис.3.29.Пример комбинированной системы регулирования
состава дистиллятара:
1-подогреватель исходной смеси; 2-ректификационная колонна; 3-дифлегматор; 4-флегмовая емкость; 5-регулятор; 6-динамический компенсатор.

На рис.3.29 приведен пример комбинированной АСР состава дистиллятара в ректификационной колонне. Стабилизация состава дистиллята обеспечивается регулятором 5 путем изменения подачи флегмы на орошение колонны. Для повышения качества регулирования в системе предусмотрена автоматическая коррекция задания регулятору 5 в зависимости от одного из основных возмущений в процессе-расхода разделяемой смеси. Корректирующий импульс на задание регулятору поступает через динамический компенсатор 6.
Рассмотренные примеры иллюстрируют два способа построения комбинированных АСР. Как видно из структурных схем (рис.3.30,а и 3.30,б),обе системы регулирования обладают общими особенностями: наличие двух каналов воздействия на выходную координату объекта и использованием двух контуров регулирования – замкнутого (через регулятор 1 ) и разомкнутого (через компенсатор 2 ). Отличие состоит лишь в том, что во втором случае корректирующий импульс от компенсатора поступает не на вход объекта, а на вход регулятора.
Введение корректирующего импульса по наиболее сильному возмущению позволяет существенно снизить динамическую ошибку регулирования при условии правильного выбора и расчета динамического устройства, формирующего закон изменения этого воздействия.
Основой расчета подобных систем является принцип инвариантности: отклонение выходной координаты системы от заданного значения должно быть тождественно равным нулю при любых задающих или возмущающих воздействиях.
Для выполнения принципа инвариантности необходимы два условия: идеальная компенсация всех возмущающих воздействий и идеальное воспроизведение сигнала задания. Очевидно, что достижения абсолютной инвариантности в реальных системах регулирования практически невозможно.


а) б)
Рис 3.30. Структурные схемы комбинированных АСР при подключении
выхода компенсатора на вход объекта (а) и на вход регулятора (б):
1 – регулятор; 2 – компенсатор.

Обычно ограничиваются частичной инвариантностью по отношению к наиболее опасным возмущениям. Рассмотрим условия инвариантности разомкнутой и комбинированной систем регулирования по отношению к одному возмущающему воздействию.




Условия инвариантности разомкнутой и комбинированной АСР.
Рассмотрим условия инвариантности разомкнутой системы (Рис.3.31): у(t)=0.


Рис. 3.31 Структурная схема разомкнутой АСР.

Переходя к изображению по Лапласу Хв(р) и Y(p) сигналов хв(t) и у(t), перепишем это условие с учетом передаточных функций объекта по каналам возмущения Wв(p) и регулирования Wр(p) и компенсатора Rк(р):
Y(p)= Хв(р)[ Wв(p)+ Rк(р) Wр(p)]=0 (3.46)
При наличие возмущения [Хв(р)
· 0] условия инвариантности (3.46) выполняется, если
Wв(p)+ Rк(р) Wр(p)
·0 (3.47)
откуда Rк(р)=
· Wв(p)/ Wр(p). (З.48)
Таким образом, для обеспечения инвариантности системы регулирования по отношению к какому-либо возмущению необходимо установить динамический компенсатор, передаточная функция которого равна отношению передаточных функций объекта по каналам возмущения и регулирования, взятому с обратным знаком.
Условия физической реализуемост инвариантных АСР. Одной из основных проблем возникающих при построение инвариантных систем регулирования, является их физическая реализуемость т.е. реализуемость компенсатора, отвечающего условию (3.48).
В отличие от обычных промышленных регуляторов, структура которых задана и требуется лишь рассчитать их настройки, структура динамического компенсатора полностью определяется соотношением динамических характеристик объекта по каналам возмущения и регулирования и может оказаться очень сложной, а при неблагоприятном соотношении этих характеристик – физически нереализуемой.
«Идеальные» компенсаторы физически нереализуемы в следующих двух случаях.
1. Если время чистого запаздывания по каналу регулирования больше, чем по каналу возмущения. В этом случае идеальный компенсатор должен содержать звено упреждения.
2. Если в передаточной функции компенсатора степень полинома в числителе больше, чем степень полинома в знаменателе. В этом случае компенсатор должен содержать идеальные дифференцирующие звенья. Такой результат получается при определенном соотношение порядков дифференциальных уравнений, описывающих каналы возмущения и регулирования.
Техническая реализация инвариантных АСР. При практической реализации разомкнутых и комбинированных АСР обычно добиваются приближенной инвариантности системы по отношению к рассматриваемому возмущению в наиболее опасном диапазоне частот. При этом реальный компенсатор выбирают из числа наиболее легко реализуемых динамических звеньев, параметры которых рассчитываются из условия близости частотных характеристик идеального [Rк(j
·)] и реального [
·к(j
·)] компенсаторов в этом диапазоне частот.

3.9.2. Каскадные АСР
Каскадные системы применяют для автоматизации объектов, обладающих большой инерционностью по каналу регулирования, если можно выбрать менее инерционную по отношению к наиболее опасным возмущениям промежуточную координату и использовать для нее то же регулирующее воздействие, что и для основного выхода объекта.
В этом случае в систему регулирования (рис 3.32) включают два регулятора – основной (внешний) регулятор, служащий для стабилизации основного выхода объекта у, и вспомогательный (внутренний) регулятор, предназначенный для регулирования вспомогательной координаты у1.заданием для вспомогательного регулятора служит выходной сигнал основного регулятора.


Рис 3.32. Структурная схема АСР.

Выбор законов регулирования определяется назначением регуляторов:
для поддержания основной выходной координаты на заданном значении без статической ошибки закон регулирования основного регулятора должен включать интегральную составляющую.
от вспомогательного регулятора требуется прежде всего быстродействие, поэтому он может иметь любой закон регулирования (в частности пропорциональный как наиболее простой и достаточно быстродействующий).
Сравнение одноконтурных и каскадных АСР показывает, что вследствие более высокого быстродействия внутреннего контура в каскадной АСР повышается качество переходного процесса, особенно при компенсации возмущений, поступающих по каналу регулирования (как будет показано ниже, при этом инерционность эквивалентного объекта благодаря внутреннему контуру снижается по сравнению с инерционностью основного канала регулирования).
Если по условию ведения процесса на вспомогательную переменную накладывается ограничение (например, температура не должна превышать предельно допустимого значения или соотношение расходов должно лежать в определенных пределах), то на выходной сигнал основного регулятора, который является заданием для вспомогательного регулятора, также накладывается ограничение. Для этого между регуляторами устанавливается устройство с характеристиками усилительного звена с насыщением.
Примеры каскадных АСР технологических объектов. На рис 3.33 приведен пример каскадной системы стабилизации температуры жидкости на выходе из теплообменника, в которой вспомогательным контуром является АСР расхода греющего пара. При возмущении по давлению пара регулятор 1 изменяет степень открытия регулирующего клапана таким образом, чтобы поддержать заданный расход. При нарушении теплового баланса в аппарате (вызванном, например, изменение входной температуры или расхода жидкости, энтальпии пара, потерь тепла в окружающую среду), приводящем к отклонению выходной температуры от заданного значения, регулятор температуры 2 корректирует задание регулятору расхода 1.

Рис. 3.33. Каскадная система регулирования температуры (2)
с коррекцией задания регулятору расхода пара (1).

В химико-технологических процессах часто основная и вспомогательная координаты имеют одинаковую физическую природу и характеризуют значение одного и того же технологического параметра в разных точках системы (рис. 3.34).

Рис.3.34. Структурная схема каскадной АСР
с измерением вспомогательной координаты в промежуточной точке

На рис 3.35 показан фрагмент технологической схемы, включающий подогреватель реакционной смеси и реактор, и система стабилизации температуры в реакторе. Регулирующее воздействие – расход пара – подается на вход теплообменника. Канал регулирования, включающий два аппарата и трубопроводы, является сложной динамической системой с большой инерционностью. На объект действует ряд возмущений, поступающих в разные точки системы, - давление и энтальпия пара, температура и расход реакционной смеси, потери тепла в реакторе и т.п. Для повышения быстродействия системы регулирования применяют каскадную АСР, в которой основной регулируемой переменной является температура в реакторе между теплообменником и реактором.

Рис 3.35. Каскадная система регулирования температуры (4) в реакторе (1)
с коррекцией задания регулятору температуры (3) на входе теплообмена (2)

Системы связанного регулирования. Автономные АСР. Основой построения систем связанного регулирования является принцип автономности. Применительно к объекту с двумя входами и выходами понятие автономности означает взаимную независимостью выходных координат у1 и у2 при работе двух замкнутых систем регулирования.
По существу, условие автономности складывается из двух условий инвариантности: инвариантности первого выхода у1 по отношению к сигналу второго регулятора хР2 и инвариантности второго выхода у2 по отношению к сигналу первого регулятора хР1:
у1 (t, хР2)=0;  у2 (t, хР12)=0; Vt, хР1, хР2

При этом сигнал хР1 можно рассматривать как возмущение для  у2, а сигнал хР2. - как возмущения для у1 .
В химической технологии одним из самых сложных многосвязных объектов является процесс ректификации. Даже в простейших случаях – при разделении бинарных смесей – в ректификационной колонне можно выделить несколько взаимосвязанных координат (рис. 3.36).





Рис. 3.36. Пример системы регулирования объекта с несколькими входами и выходами:
1- ректификационная колонна; 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор;
4 – флегмовая емкость; 5 – регулятор температуры; 6, 9 – регуляторы уровня;
7 – регулятор расхода; 8 – регулятор давления.

Например, для регулирования процесса в нижней части колонны необходима стабилизация минимум двух технологических параметров, характеризующих материальный баланс по жидкой фазе и по одному из компонентов. Для этой цели обычно выбирают уровень жидкости в кубе и температуру под первой тарелкой, а в качестве регулирующих входных сигналов – расход греющего пара и отбор кубового продукта. Однако каждое из регулирующих воздействий влияет на оба выхода: при изменении расхода греющего пара изменяется интенсивность испарения кубового продукта, а вследствие этого – уровень жидкости и состав пара. Аналогично изменение отбора кубового продукта влияет не только на уровень в кубе, но и на флегмовое число, что приводит к изменению состава пара в нижней части колоны.
Для регулирования процесса в верхней части в качестве выходных координат можно выбрать давление и температуру выходных координат можно выбрать давление и температуру пара, а в качестве регулирующих входных параметров - подачу хладоагента в дефлегматор и флегмы на орошение колонны. Очевидно, обе входные координаты влияют на давление и температуру в колонне в ходе тепловых и массообменных процессов.
Наконец, рассматривая систему регулирования температуры одновременно в верхней и нижней частях колонны подачей соответственно флегмы и греющего пара, также получим систему несвязанного регулирования объекта с внутренними перекрестными связями.
3.10. Дискретные автоматические системы регулирования

3.10.1. Понятия о дискретных АСР и их классификация
В непрерывных системах существуют только непрерывные сигналы, являющиеся непрерывными функциями времени. В дискретных АСР сигнал изменяется во времени дискретно, скачками.
Преобразование непрерывного сигнала в дискретный называется квантованием сигнала. Существует два основных вида квантования: по уровню и по времени.
В соответствии с видами квантования АСР дискретного действия делятся на три типа: релейные, импульсные и цифровые.
В этом разделе подробнее рассмотрим лишь релейные АСР.

3.10.2. Классификация релейных АСР
Большинство релейных АСР можно представить, как показано на рис. 3.37. Здесь НП – непрерывная часть системы, а РЭ – релейный элемент.
Релейный элемент осуществляет квантование непрерывного сигнала Х по уровню, преобразуя его в дискретный сигнал У. Релейный элемент – это звено релейного действия, статическая характеристика которого может иметь вид, показанный на рис. 3.38.

Рис.3.37. Релейные АСР Рис.3.38. Статическая характеристика
двухпозиционного регулятора
Простейшей релейной АСР является, например, система регулирования температуры в сушильном шкафу (рис.3.39).
Для измерения температуры здесь используется термометр ртутный контактный ТРК. После включения рубильника температура в сушильном шкафу (СШ) повышается, достигает заданной, контакты термометра ТРК замкнутся ртутным столбиком и катушка электромагнитного реле ЭР окажутся под напряжением и в результате разомкнется контакт Кэр и электронагревательный элемент ЭН обесточится. В результате будет понижаться температура, контакты термометра ТРК разомкнутся, катушка реле ЭР обесточится, контакт Кэр замкнется и вновь начнется нагрев.

Рис.3.39. АСР температуры в сушильном шкафу

По типу релейных элементов релейные АСР называются двухпозиционными, трехпозиционными и т.д. Многопозиционное квантование по уровню применяется главным образом в цифровых САУ.
Простота релейных схем объясняется тем, что устройства релейного действия, как правило, значительно проще непрерывного пропорционального действия.
Релейные АСР получили широкое распространение благодаря своей простоте, однако имеют и существенные недостатки: регулируемая величина совершает незатухающие колебания около заданного значения даже при отсутствии внешних возмущающих воздействий (режим автоколебаний).

3.10.3. Автоколебания в релейных АСР
Из релейных АСР наибольшее распространение в промышленности получили системы двухпозиционного регулирования (СДР). Как следует из примера СДР температуры (рис.3.39), электронагреватель сушильного шкафа может быть либо включенным, либо выключенным, а температура в его рабочем пространстве может либо возрастать, либо уменьшаться относительно заданного значения.
Этот режим работы релейных систем регулирования называется автоколебательным, а возникшие незатухающие колебания регулируемой величины – автоколебаниями (автономными колебаниями).
Качество переходного процесса при регулировании в таких системах определяется параметрами автоколебаний – амплитудой и частотой (или периодом). Анализ автоколебаний в СДР ведется на основе ее структурной схемы, представляющей последовательное соединение релейного элемента РЭ и линейной части с передаточной функцией Wл.ч(Р) (рис.3.40). При этом линейная часть системы состоит из всех элементов АСР, за исключением релейного, т.е. из объекта регулирования, измерительного устройства, различных внутренних связей и др.

Рис.3.40. Структурная схема релейной АСР с запаздыванием.

Одновременно в структурной схеме имеется обратная связь через звено чистого запаздывания e-p
·, где время запаздывания
· равно сумме запаздываний объекта регулирования
·об и датчика
·д.
В схеме на рис.3.40 введены относительные величины. Относительное значение регулируемой величины представлено

·2 =
x2 -хНАЧ
=
x2 -хНАЧ
, (3.49)


хКОН - хНАЧ

А


где хнач - установившееся значение регулируемой величины, соответствующее минимальной позиции регулируемого воздействия (команды управления); хкон – установившееся значение регулируемой величины, соответствующее максимальной позиции регулирующего воздействия (команды управления); А = хкон - хнач - зона регулирования.
Зона неоднозначности в относительных координатах 2
· = 2b/А, задаваемое значение регулируемой величины
·1 = (х1-хнач)/А.
Очевидно, 0<
·2<1, т.к. из (3.49) следует, что при х2 хнач
·2 0, а при х2хкон
·21.
Следовательно, зона регулирования в этом случае А
· = 1 -0=1.
Регулятор получает информацию об изменении регулируемой величины с запаздыванием
· и размах автоколебаний равен уже не 2
· (в относительных единицах), а больше (рис. 3.41). приращения
·
·1 и
·
·2 возникают благодаря тому, что вследствие инерционности объекта переключение регулирующего воздействия происходит на время
· позже.
Штриховая кривая на рис. 3.41 соответствует изменению

· 2*(t) =
· 2 (t-
·).

Рис.3.41.Определение параметров автоколебаний
в релейной двухпозиционной АСР с запаздыванием.

Для определения параметров автоколебаний проведем секущие через точки А, В и С, Д до пересечения с линиями установившихся значений
·2 =1 и
·2 =0. В результате геометрических построений образуется две пары подобных треугольников:
·
·GF ~
·
·
·
· и
· CNM ~
· CDH. Следовательно, АЕ/ВЕ=АF/FG и СН/НD = СМ/МN, откуда АЕ=ВЕ·AF/FG и CH=HD·CM/MN.
Учитывая, что АЕ =
·
·1; ВЕ =
· ; А F = 1-
·1 -
·; FD=Т +
·/2; СН=
·
·2; НD=
·; СМ =
·1 –
·; МN=Т+
·/2, получим

·
·1 =

·

· (1-
·1 –
· )
}
(3.50)


Т+
·/2





·
·2 =

·

· (
·1 –
· )




Т+
·/2




Тогда размах автоколебаний в относительных величинах будет:
2
·* = 2
· +
·
·1 +
·
·2 =2
· +

·

·( 1- 2
·)
. (3.51)


Т+
·/2



В абсолютных величинах размах автоколебаний будет равен 2
·*А.
Период автоколебаний можно определить по формуле
ТА = 2
·*Т
· , (3.52)
где

· =
1
(3.53)




·1
·(1-
·1)


Подставив 2
· = 2
·* , получаем ТА = 2
·*Т
· . (3.54)
Приращения амплитуды колебаний
·
·1 и
·
·2 зависят от отношения
·/Т. Для больших значений этого отношения релейные АСР могут оказаться непригодными. Практика показывает,что для удовлетворительной работы релейной АСР необходимо , чтобы
· /Т
·0,2.

4. Автоматезированные системы управления
технологическими процессами (АСУТП)

4.1. Общая характеристика АСУТП.

АСУТП – это человеко-машинная система, обеспечивающая эффективное функционирование технологического объекта на основе быстрой и точной информации о состоянии объекта и выработки соответствующих команд управления объектом с помощью средств автоматизации и вычислительной техники. При этом под технологическим объектом управления (ТОУ) понимается технологическое оборудование и реализуемый в нем технологический процесс производства или транспортирования продукции.
Совокупность совместно функционирующих АСУТП и ТОУ называется автоматизированным технологическим комплексом (АТК).
АСУТП отличает преобладание задач оперативного управления ТОУ над задачами организационно-экономического типа, характерных для автоматизированных систем управления предприятием (АСУП), объединением (АСУ О), отраслью (ОАСУ). То есть АСУ ТП функционирует в одном темпе с управляемым объектом, или в реальном масштабе времени. Социально-экономические причины появления АСУТП обусловлены тем, что все труднее становится найти работников на тяжелые, малопроизводительные ручные производственные операции. Поэтому АСУТП призваны облегчить труд человека, в том числе в условиях опасных и вредных для здоровья, а также своевременно обнаруживать отклонения режимов технологического процесса и воздействовать на него в целях устранения отклонений.
АСУТП, в отличии от АСР локального типа, решает задачи управления технологическим процессом как единым целым во всей сложности взаимосвязи его структур и параметров, автоматизируя принятие решений по оптимальному управлению этим процессом . А локальные АСР, входящие в состав АСУТП, автономно реализуют в последней функции управления отдельными частями технологического процесса или оперативного контроля за их режимами и параметрами.
Наибольшее распространение получили три принципа построения АСУТП: централизованное управление; супервизорное управление; децентрализованное (распределение) управление.
При централизованной АСУТП надежность ее определяется надежностью устройств связи с объектом (УСО) и управляющей вычислительной машины (УВМ), и при выходе их из строя нормальное функционирование технологического оборудования невозможно.
Более широкими возможностями и надежностью обладают АСУТП, в которых непосредственное регулирование объектами осуществляется локальными АСР, а УВМ выполняет функции «советчика» в так называемом супервизорном режиме. Основная задача супервизорного управления – автоматическое поддержание процесса вблизи оптимальной рабочей точки, а также возможность оператора использовать плохо формализованную информацию о ходе технологического процесса, вводя через УВМ коррекцию установок, параметров алгоритмов регулирования в локальные контуры (например, при изменении состава сырья и состава вырабатываемой продукции). При большом же числе каналов контроля, регулирования и управления, большой длине линий связи в АСУТП, децентрализация структуры системы становится принципиальным методом повышения живучести АСУТП, снижение стоимости и эксплутационных расходов.
Наиболее перспективным направлением распределенных АСУТП признано автоматизированное управление процессами с распределенной архитектурой на базе функционально-целевой и топологической децентрализации объекта управления.
Функционально-целевая децентрализация означает разделение сложного процесса или системы на меньшие части – подпроцесса или подсистемы по функциональному признаку (например, переделы технологического процесса, режимы работы агрегатов и т.д.), имеющие самостоятельные цели функционирования.
Топологическая децентрализация означает возможности территориального (пространственного) разделение процесса на функционально-целевые подпроцессы, чтобы минимизировать суммарную длину линий связи, образующих вместе с локальными системами управления сетевую структуру.
Технической основной современных распределенных систем управления являются микропроцессоры (МП) и микропроцессорные системы (МПС). Использование МП и МПС (в т.ч. микро-эвм) для решения задач распределенных АСУТП дает возможность достичь следующих целей:
1- заменить аналоговые технические средства на цифровые там , где переход к цифровым средствам повышает точность, расширяет функциональные возможности и увеличивает гибкость систем управления; 2- заменить технические средства с жесткой логикой на программируемые устройства или контроллеры; 3- заменить одну мини-ЭВМ системой из нескольких микро-ЭВМ, когда необходимо обеспечить децентрализованное управление производством или технологическим процессом с повышенной надежностью и живучестью или когда возможности мини-ЭВМ полностью не используются.
4.2. Назначение, цель и функции АСУТП

АСУТП предназначена для целенаправленного управления технологическими процессом и обеспечения информацией смежных и вышестоящих автоматизированных систем управления. Например, технологи-операторы получают оперативную информацию в едином темпе (реальном времени) с технологическим процессом, что позволяет им своевременно вмешаться в ход процесса, корректировать режимы и нагрузки машин и установок.
Целью АСУТП является обеспечение оптимального в определенном смысле функционирования технологического процесса, например, получение максимального экономического эффекта с учетом плановых, экономических и технических ограничений. В частном случае это может быть максимальная производительность технологического процесса при заданном качестве продукта и исходного сырья, минимальная себестоимость продукции, минимальный расход дорого сырья и т.п.
Функцией АСУТП называется совокупность ее действий направленных на достижения определенной цели. Различают три функции АСУТП: управляющую, информационную и вспомогательную. К управляющей функции АСУТП относятся: программные изменения режима (пуск – остановка машин и агрегатов, аварийные блокировки, распределение нагрузки между агрегатами и т.п.); логическое управление, например, определение «узкого места» и согласования нагрузок технологического оборудования; оптимизация установившегося режима технологического процесса в целом и режимов отдельных видов технологического оборудования; оптимальное управление переходными режимами управляемого процесса; автоматическое регулирование и стабилизация отдельных параметров технологического процесса с помощью одноконтурных, комбинированных и многосвязанных АСР; реализация управления исполнительными органами. Информационная функция включает получение, обработку и передачу информации о состоянии ТОУ или внешней сферы.
На вспомогательные функции АСУТП возлагаются контроль за правильностью ее функционирования, реализация и контроль информационного обмена с системами управления более высокого уровня, слежения за астрономическим временем и отсчет временных интервалов, воздействия на соответствующие средства АСУТП т.д.
На рис.4.11 приведена обобщенная функциональная структура АСУТП, основными элементами которой являются информационная и управляющая подсистемы, а также операторы технологического процесса и комплекса технических средств (КТС) АСУТП.

Рис 4.1 Обобщенная функциональная структура АСУТП

4.3. Упрощенная структура комплекса технических средств (КТС) АСУТП

Структура КТС АСУТП представлена на рис.4.2. на ней выделены устройства сопряжения УВМ с управляемым объектом (УСО), устройство сбора, передачи и преобразовании информации и устройство выдачи сигналов из УВМ на объект управления. Как видно, существуют два основных потока информации: измерительный от датчиков к УВМ и управляющей (командной) от УВМ к исполнительным устройствам объекта.
Обмен информацией между отдельными устройствами происходит через интерфейсы, с помощью которых передаются стандартные форматы информации. Интерфейс П обслуживает процессор, а интерфейс В предназначен для устройств ввода - вывода.
Сигналы в УСО и каналы связи. Диапазоны изменения информационных параметров в сигналах унифицированы и утверждены соответствующими стандартами. Аналоговая информация в каналах АСУТП передается сигналами как низкого (0100 или –50 +50 мВ), так и высокого (0 10 В; 024 В) уровня. Передача дискретной информации осуществляется в основном с помощью сигналов высокого уровня (0 10 В; 024 В или 05 mА; 420 мА).
Коммутаторы сигналов. Применение коммутаторов сигналов способствует сокращению объема оборудования необходимого для организации приема и выдачи сигналов. По функциональному значению коммутатор подключает раздельно во времени выходы и входы нескольких датчиков и исполнительных устройств к входам приемников информации.
Преобразователи. УСО содержат в качестве основных устройств не только коммутаторы, но и преобразователи АЦП и ЦАП. В результате преобразования на выходе АЦП вырабатывается цифровой код, числовое значение которого соответствует величине преобразованного аналогового сигнала. В преобразователе ЦАП цифровой код однозначно преобразуется в выходную величину (ток, напряжение и т.д.).

4.4. Техническое обеспечение распределенных АСУТП

4.4.1 Общая характеристика аппаратурной основы АСУТП

Внедрение микропроцессоров в самые различные устройства автоматики на всех уровнях управления создало насыщение цифровым «интеллектом» большинство устройств, составляющих аппаратурную основу АСУТП.



Рис. 4.2. Упрощенная структура комплекса технических средств АСУТП
Главное преимущество распределенных АСУТП – повышение их надежности и снижение стоимости линий связи – позволило уверено внедрять АСУТП там, где еще недавно недоверие к вычислительной техники как средству автоматизации производственных процессов заставляло сохранять аналоговые регуляторы, приборы, щиты и пульты ручного управления. Один из факторов повышения надежности распределенных АСУТП состоит в том, что возможна обработка данных в месте их возникновения и потребления без передачи в центральную ЭВМ.
Появилась возможность применять вместо одной управляющей ЭВМ несколько процессоров, распределяя между ними прикладные функции и размещая их там, де это выгодно на различных участках технологического процесса.
Основная конструктивная единица аппаратурного комплекса – станция, которую можно установить в том или ином месте на объекте управления или на операторском пункте и подключить к локальной сети.
Локальные технологические станции (ЛТС) являются средством нижнего уровня управления технологическим процессом и служат для автономного управления некоторым его участком; вместе с тем подключение станции к общей сети передачи данных распределенной АСУТП позволяет передавать информацию на центральный пункт управления, групповые операторские и координирующие станции и получать от них задания.
Программные модули, хранящиеся в постоянной памяти ЛТС, обеспечивают ПИД – регулирование, каскадное соединение контуров, ввод управления по возмущению, реализуют логическое управление.
Операторские станции (ОПС) выполняют функции связи между оператором и объектом, а также оператором и средствами АСУТП.
С расширением функций АСУТП все большее значение приобретает повышение надежности технических средств. Это повышение достигается как путем использования отказоустойчивых (резервированных) средств, так и путем восстановления (иногда автоматического) работоспособности технических средств и программного обеспечения.
Для технической реализации АСУТП выпускается ряд малогабаритных локальных микропроцессорных регуляторов температуры типа «Протерм100», «Минитерм 300» и ИРТ –2 и др., обладающих повышенной надежностью и режимами позиционного и ПИД – регулирования, а также мощные программно-технические комплексы (ПТК) КВИНТ, комплекс (рис.4.3.), ТЕХНОКОНТ, УНИКОНТ, МИКСИС и др. Основу функционирования, например, ПТК «Комплекс» составляют электронные устройства: датчики, контроллеры регулирующие Р-110, Р-130, логические Л-110, Ш-711, ЧСК, средства передачи данных, ПЭВМ в роли операторской станции и др.


Рис 4.3. Состав технической части ПТК «Комплекс»
4.4.2. Микропроцессорные автоматические устройства и системы
Микропроцессорные комплекты (мпк) различной структуры используются для построения таких типовых средств управления, как: программируемые контроллеры (ПК), основной функцией которых является формирование команд управления производственным агрегатом или технологическим процессом; микро-ЭВМ, предназначенных для выполнения информационно-управляющих функций в автоматизированных системах управления и решения специальных задач, и микропроцессорных систем, структура которых максимальная соответствует алгоритму функционирования сложной системы.
В приборах для измерения электрических и неэлектрических величин встроенные микропроцессоры выполняют контроллерные, вычислительные и сервисные функции, позволяющие улучшить технические характеристики этих приборов, придать им новые свойства.
Программируемыми микропроцессорными контроллерами (ПМК) или сокращенно микроконтроллерами называют приборы формирующие команды управляющих воздействий на производственный агрегат или процесс путем логических или логических и арифметических операций преобразования входных сигналов.
Достоинством их является то, что выпускаемые промышленностью ПМК доступны в эксплуатации персоналу, не имеющему знаний в области программирования. По замыслу разработчиков их пользователь не программирует находящееся в контроллере цифровое вычислительное устройство, а лишь описывает свою задачу в привычной для него форме.
Логические пмк, предназначенные для замены таких устройств электроавтоматики, как релейные и логические схемы, командные аппараты, нашли широкое распространение в практике автоматизации технологических процессов и положили начало развитию других направлений применения ПМК регулирующего и координирующего типов). Главный недостаток аппаратных релейно-контактных устройств управления по принципу жесткой логики - недостаточная гибкость при внесении изменений в алгоритм, введений новых функций и др. ПМК логического управления обладают существенным преимуществом при использовании их для решения сложных задач управления (например, при наличии 20 и более реле в заменяемой релейно-контактной схеме).
Промышленностью выпускаются: логико-программные многоканальные контроллеры-Ломиконты сер. Л-110, Л-112, Л-120, Л-122, регулирующие контроллеры-Ремиконты (Р-110,Р-122, Р-130, Р-131, КР-300 и др.). Важной особенностью этих контроллеров являются развитое внутреннее программное обеспечение, не требующее использования внешних программных средств-операционных систем, транслятора и т.п. Оператор работает с такими приборами с использованием так называемого технологического программирования, привычного для специалистов по автоматическому и технологическому управлению с помощью традиционных аналоговых средств. На одном приборе (Р-122 , например) можно реализовать автоматическое регулирование, эквивалентное регулированию 8 ч 16-тью локальными аналоговыми регуляторами. При этом следует особо отметить компактность прибора: габариты его практически почти не отличаются от традиционного аналогового ПИД-регулятора.
Микро-ЭВМ. Основу микро-ЭВМ составляет микропроцессор, который совместно с дополнительными устройствами (вспомогательной памятью, периферийными устройствами, средствами связи и структурно-необходимыми другими микропроцессорами и БИС) обеспечивает решение совокупностей разнообразных относительно несложных задач. В частности, это широко распространенные задачи по управлению производственным агрегатом или технологическим процессом с помощью вычислительного комплекса небольшого быстродействия по вводу-выводу. Умеренные технические возможности микро-ЭВМ (по сравнению с мини-ЭВМ) определяют низкий уровень их стоимости, компактность и обширную область применения в промышленных системах управления в качестве базовых средств построения АСУТП.
Отечественный и зарубежный опыт применения ПМК в распределенных АСУТП привел к дальнейшему совершенствованию их и производству рядом других отечественных фирм.
Промышленные контроллеры сер. ЭК-2000 фирмы «Эмикон» [26, 31] в зависимости от конфигурации могут быть отнесены к контроллерам как малого (до 64 входов-выходов), так и среднего (до 320 входов-выходов) класса. Их можно легко объединить в локальную сеть на базе интерфейсов RS-232С, RS-485, «токовая петля 20мА», модем V23.
С 1995 г. контроллеры серии ЭК-2000 наряду с расширением использования на предприятиях черной металлургии стали активно применяться в АСУ на предприятиях нефтегазового комплекса. На базе контроллеров серии ЭК-2000 внедрены: системы управления газоперекачивающими станциями магистральных газопроводов РАО «Газпром»; отечественная микропроцессорная САР давления в АО «Прикаспийско-Кавказские магистральные нефтепроводы» на базе контроллеров эк-2314.
Для расширения функциональных возможностей программно-аппаратных комплексов на базе контроллеров серии ЭК-2000 разработан сетевой контроллер С-0,5А, встраиваемый в IВМ-совместимые ПЭВМ с системной шиной ISА и осуществляющий автономное управление последовательным обменом данными на физическом и канальном уровнях. Необходимость разработки сетевого контроллера обусловлена тем, что при быстротекущих процессах совмещение обработки данных, управление объектами в реальном времени и управление скоростными каналами обмена информацией оказывается для компьютера невозможным. Использование интеллектуального контроллера для обмена информацией позволяет решить проблему быстродействия и повысить надежность систем управления в целом.
Фирма «Эмикон» является системным интегратором и поставляет комплектное оборудование для построения систем автоматизации (СА), включающее в себя датчики, исполнительные механизмы, промышленные панели оператора, контроллеры, промышленные компьютеры, регулируемые приводы постоянного и переменного тока, серводвигатели и тяговые двигатели постоянного тока, бесколлекторные серводвигатели и другое оборудование, необходимое заказчику.
Пензенское АО «Электромеханика» представило новый программируемый контроллер ПКЭМ-3 в стандарте МЭК-1131, предназначенный для управления технологическими процессами в энергетике, металлургии, нефтяной, газовой промышленностях и в других отраслях; использование его в составе программно-технического комплекса «Дирижер» обеспечивает гибкость решения для управления и сбора данных.
Российская компания Аргуссофт (Москва) – системный интегратор в области создания вертикально-интегрированных информационно-управляющих систем и корпаративных сетей разработала ряд проектов на объекты добычи, транспортировки и переработки нефти с использованием систем Advanced Control и программного обеспечения фирм Aspen Technology и Gensum Corporation.
Московское НПО «Техноконт» [37] разработало многофункциональный комплекс программно-аппаратных средств для построения распределенных систем управления – МФК «Техноконт».
Важным достижением является новый контроллер КР-300 сер. контраст (КОНТроллеры для РАСпределенных систем автоматизации Технологических процессов), разработан и производится чебоксарским ЗАО «ЗЭ и М-Инжиниринг» как основной элемент поставляемых программно-технических комплексов для АСУТП различных отраслей промышленности. Разработка выполнена на основе опыта производства и эксплуатации контроллеров Ремиконт Р-110, Лемиконт Л-110, Ремиконт Р-130, РК-131/300 с применением современных электронных компонентов ведущих зарубежных производителей. Последнее обстоятельство позволило обеспечить высокие (на уровне современных зарубежных аналогов) технические характеристики контроллера, в том числе повышенную надежность и помехоустойчивость, а конструктивная унификация с отечественными приборами Р-130, РК-131 – сравнительно низкую стоимость КР-300. Важной особенностью является фирменного программного обеспечения, реализующего функционирование и обслуживание контроллера, а также решающего задачи технолога-оператора на верхнем уровне Программирование контроллера выполняется на технологических языках двух классов, позволяющих обходиться без профессиональных программистов: языке Функциональных Алгоритмических Блоков ФАБЛ ( библиотека до 256 алгоритмов, программы – до 999 алгоблоков ) и процедурном языке высокого уровня ПРОцедурный ТЕКСТ (ПРОТЕКСТ). Процесс программирования на языке ФАБЛ сводится к объединению в систему заданной конфигурации нужных алгоритмов, на языке ПРОТЕКСТ - к записи условий, содержащих алгебраические и логические выражения. Все алгоритмы библиотек ФАБЛ могут использоваться в качестве встроенных функций языка ПРОТЕКСТ.
Язык ФАБЛ удобен при разработке программ регулирования, язык ПРОТЕКСТ – при создании программ логического уровня, защит и блокировок, решении вычислительных задач, ввода-вывода текстовых сообщений и т.п. Разработка и отладка технологических программ осуществляется на персональном компьютере с помощью пакета ИСТОК, содержащего табличные, графические и текстовые редакторы подготовки программ, трансляторы, эмуляторы, загрузчики и другие инструментальные средства для подготовки и отладки технологических программ. ФАБЛ - или ПРОТЕКСТ – программа (или комбинация) записывается в энергонезависимую флэш-память контроллера.
На ряде нефтеперерабатывающих заводов внедрены и успешно работают в течение 5-8 лет АСУТП на ПТК зарубежных фирм. Например, на Омском НПЗ работает АСУТП первичной переработки нефти, реализованная на контроллерах МОД-30,МОД-300, барьерах искрогашения и других устройствах фирмы АВВ (США).
Основные технические данные контроллера МОД-30: 2 контура ПИД-регулирования; 3 аналоговых входа и 2 аналоговых выхода; 2 дискретных входа и 3 дискретных выхода.
В составе АСУТП установки АВТ используются 30 шт. МОД-30 одна шт. МОД-300, один шлюз (РС и программный пакет In Touch , Wonder ware), на котором также отображаются лабораторные данные аналитического контроля.
На рис.4.4 показана блок-схема включения датчика и исполнительного механизма в контур автоматического регулирования. АСУТП установки АВТ связана с единой информационной сетью (ЕUС) верхнего уровня управления (АСУП) через шлюз . К ЕUС подключены серверы данных реального времени с других установок (РI archivc) и данные лабораторного аналитического контроля исходного сырья, изготовляемых продуктов и основных материалов (Blekher).







Рис.4.4.Блок-схема контура регулирования.

Другой пример структуры КТС АСУТП комплекса производства ароматики (КПА) Омского НПЗ представлен на рис.4.5. Технологический процесс контролируется и управляется по 3500 параметрам, при этом около 650 параметров регулируются, всего примерно 1500 исполнительных механизмов.
Полевое оборудование представлено датчиками температуры (ТХК,ТХА), давления с тензорезисторными преобразователями ТD 1303 фирмы Тейлор (США), расхода по переменному перепаду давления с преобразователями TD 1303, уровня гидростатического типа с преобразователем ТD1303, дискретными датчиками, а также исполнительными устройствами в виде электропневматических клапанов (ЭКМ) и реле.
блоки обеспечения ввода-вывода представлены блоками TRIO для преобразования аналоговых и дискретных сигналов датчиков в цифровой код и цифровых кодов в аналоговые сигналы для исполнительных механизмов. Блоки TRIO имеют 4 входа и 2 выхода аналоговых сигналов и 16 входов и 32 выхода дискретных сигналов. При этом, БЛОК TRIO CSA работает с аналоговыми сигналами термопар (верхний предел 1350мВ) БЛОК TRIO DI имеет 16 дискретных входов, БЛОК TRIO DО имеет 32 дискретных выхода.
LAN – это устройство связи (4 провода) между блоками TRIO и контроллерами. Один LAN рассчитан на 20 ч30 БЛОКОВ TRIO. На один контроллер МОD-300 предусмотрено два LANа.
DCN- это высокочастотное кольцо связи с подсистемами (установками). DPSS – база данных (для конфигурирования, задания управляющих функций для контроллера).


Рис. 4.5. Структура комплекса технических средств АСУТП КПА.


Операторская консоль 18 МОD-300 – это рабочее место операторов-технологов для управления технологическими процессами секций 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 для производства бензола, орто-пара-ксилолов и ароматики С9 и С10.
Инженерная консоль МОD-300 служит для наблюдения за работой всей системы, ее техническим состоянием (диагностика технического состояния всей системы).

4.4.3. Электропневматические системы управления
химико-технологическими процессами
Высокие требования, предъявляемые к пожаро- и взрывобезопасности химико-технологических и теплотехнических процессов, привели к тому, что данные объекты преимущественно оснащены регулирующими и двухпозиционными исполнительными механизмами (ИМ) с пневматическими приводами. Кроме того, на многих действующих производствах продолжают применять датчики с пневматическим выходным сигналом.
В то же время при автоматизации названных объектов широко используются микропроцессорные электронные средства контроля и управления. в этой связи существенной проблемой становится обеспечение надежного и эффективного сочленения пневматических и электронных средств.
При большом числе пневматических аналоговых датчиков может быть использован групповой 32-канальный пневмоэлектропреобразователь типа ПЭ-32 [22] ,в составе которого представлен контроллер Ремиконт Р-130, проводящий опрос пневматических коммутаторов, выходные сигналы которых преобразуются в стандартные токовые сигналы, поступающие на входы контроллера Р-130.
Достоинство предлагаемой схемы – возможность безударного перевода с автоматического в режим ручного управления и ее энергозащищенность по питанию.
Новейшим достижением для ввода информации от первичных пневматических датчиков в электронные системы контроля и управления является многофункциональный ПЭП типа АСТРА-8М, преобразующий унифицированные пневматические аналоговые сигналы в унифицированные электрические токовые аналоговые сигналы в системах автоматического контроля, регулирования и управления ТП.
.
4.4.4.Автоматизированные тренажерно-обучающие комплексы

Для подготовки специалистов по управлению АСУТП, и прежде всего операторов–технологов, большое значение имеют автоматизированные тренажерно-обучающие комплексы. Положительный опыт имеет российско-америконо-германское предприятие «Петроком» по разработке и внедрению тренажерных комплексов на крупнейших площадках нефтеперерабатывающего комплекса. В частности «Петроком»осуществил два проекта на базе КТМ-М: тренажер для орператоров производства ароматики Омского НПЗ и тренажер операторов установки синтеза полиэтилена высокого давления (ПЭВД) Ангарского НХК (совместно с НПО «ЦНИИКА»).




5. Автоматизация производственных процессов
нефтепереработки и нефтехимии

5.1. Элементы техники проектирования систем автоматизации
5.1.1. Краткие сведения о типовых технологических процессах

Несмотря на большое разнообразие химических производств, между ними есть определенное сходство по содержанию в их составе таких типовых технологических процессов:
1. Гидромеханических (перемещение жидкостей и газов; смешение жидкостей; отстаивание жидких систем, центрифугирование жидких систем; фильтрование жидких систем; фильтрование газовых систем; мокрая очистка газов; электрическая очистка газов);
2. Тепловых (нагревание и охлаждение жидкостей; искусственное охлаждение; выпаривание ;кристаллизация);
3. Массообменных (ректификация, абсорбция, адсорбция, сушка);
4. Механических (перемещение твердых материалов; дозирование твердых материалов; измельчение твердых материалов).
Наличие типовых технологических процессов предопределяет наличие типовых систем автоматического контроля, регулирования и управления в различных химических производствах (систем автоматизации).

5.1.2. Последовательность выбора системы автоматизации
Общая задача управления технологическим процессом формулируется обычно как задача максимизации (минимизации) некоторого критерия (себестоимости, энергозатрат, прибыли) при выполнении ограничений на технологические параметры, накладываемых регламентом. решение такой задачи для всего процесса в целом очень трудоемко, а иногда практически невозможно ввиду большого числа факторов, влияющих на ход процесса. Поэтому весь процесс разбивают на отдельные участки, которые характеризуются сравнительно небольшим числом переменных. Обычно эти участки совпадают с законченными технологическими стадиями, для которых могут быть сформулированы свои подзадачи управления, подчиненные общей задаче управления процессом в целом.
Задачи управления отдельными стадиями обычно направлены на оптимизацию (в частном случае, стабилизацию) технологического параметра или критерия, легко вычисляемого по измеренным режимным параметрам (производительность, концентрация продукта, степень превращения, расход энергии).
Оптимизацию критерия проводят в рамках ограничений, задаваемых технологическим регламентом. На основании задачи оптимального управления отдельными стадиями процесса формируют задачи автоматического регулирования технологическими параметрами для отдельных аппаратов.
Важным этапом в разработке системы автоматизации является анализ основных аппаратов как объектов регулирования, т.е. выявление всех существенных входных и выходных переменных и анализ статистических и динамических характеристик каналов возмущения и регулирования. исходными данными при этом служат математическая модель процесса и (как первое приближение) статическая модель в виде уравнений материального и теплового балансов. На основе этих уравнений с учетом реальных условий работы аппарата все существенные факторы, влияющие на процесс, разбиваются на следующие группы.
Возмущения, допускающие стабилизацию. К ним относятся не зависимые технологические параметры, которые могут испытывать существенные колебания, однако по условиям работы могут быть стабилизированы с помощью автоматической системы регулирования. К таким параметрам обычно относятся некоторые показатели входных потоков. Так, расход питания можно стабилизировать, если перед аппаратом имеется буферная емкость, сглаживающая колебания расхода на выходе из предыдущего аппарата; стабилизация температуры питания возможна, если перед аппаратом установлен теплообменник, и т.п. Очевидно, при проектировании системы управления целесообразно предусмотреть автоматическую стабилизацию таких возмущений. Это позволит повысить качество управления процессом в целом. В простейших случаях на основе таких систем автоматической стабилизации возмущений строят разомкнутую (относительно основного показателя процесса) систему автоматизацию, обеспечивающую устойчивое ведения процесса в рамках технологического регламента.
Контролируемые возмущения. К ним условно относят те возмущения которые можно измерить, но невозможно или не допустимо стабилизировать (расход питания, подаваемого непосредственно из предыдущего аппарата; температура окружающей среды и т.п.). Наличие существенных нестабилизируемых возмущений требует применения либо замкнутых по основному показателю процесса систем регулирования, либо комбинированных АСР, в которых качество регулирования повышается введением динамической компенсации возмущения.
Неконтролируемые возмущения. К ним относятся те возмущения, которые невозможно или нецелесообразно измерять непосредственно. Первые – это падение активности катализатора, изменения коэффициентов тепло- и массопередачи и т.п. Примером вторых может служить давление греющего пара в заводской сети, которое колеблется случайным образом и является источником возмущения в тепловых процессах. Выявление возможных неконтролируемых возмущений – важный этап в исследование процесса и разработки системы управления. Наличие таких возмущений требует, как и в предыдущем случае, обязательного применения замкнутых по основному показателю процесса системы автоматизации.
Возможные регулирующие воздействия. Это материальные или тепловые потоки, которые можно изменять автоматически для поддержания регулируемых параметров.
Выходные переменные. Из их числа выбирают регулируемые координаты. При построении замкнутых систем регулирования в качестве регулируемых координат выбирают технологические параметры, изменения которых свидетельствует о нарушение материального или теплового баланса в аппарате. К ним относятся: уровень жидкости – показатель баланса по жидкой фазе; давление – показатель баланса по газовой фазе; температура – показатель теплового баланса в аппарате; концентрация – показатель материального баланса по компоненту.
Анализ возможных регулирующих воздействий и выходных координат объекта позволяет выбрать каналы регулирования для проектируемых АСР. При этом в одних случаях решение определяется однозначно, а в других имеется возможность выбора как регулируемой координаты, так и регулирующего воздействия для заданного выхода. Окончательный выбор каналов регулирования проводят на основе сравнительного анализа статических и динамических характеристик различных каналов. При этом учитывают такие показатели, как коэффициент усиления, время чистого запаздывания, его отношение к наибольшей постоянной времени канала
·/T.
На основе анализа технологического процесса как объекта регулирования проектируют систему автоматизации, обеспечивающую решение поставленной задачи регулирования. начинают с проектирования одноконтурных АСР отдельных параметров: они наиболее просты в наладке и надежны в работе, поэтому широко используются при автоматизации технологических объектов.
Однако при неблагоприятных динамических характеристиках каналов регулирования (большом чистым запаздывании, большом отношении
·/T) даже в случае оптимальных, настроек регуляторов качество переходных процессов в одноконтурных АСР может оказаться неудовлетворительным. Для таких объектов анализируют возможность рассмотрение многоконтурных АСР, в которых качество регулирования можно повысить, усложняя схемы автоматизации, т.е. применяя каскадные, комбинированные, взаимосвязанные АСР.
Окончательное решение о применении той или иной схемы автоматизации принимают после моделирования различных АСР и сравнения качества получаемых процессов регулирования.

5.1.3. Выбор регуляторов и параметров их настройки [47]

При разработке АСР выбирают один или несколько показаний эффективности процесса устанавливают необходимые ограничение, находят статические и динамические характеристики объекта регулирования. анализ статических характеристик позволяет оценить степень влияния одних величин на другие и выявить те регулируемые величины, которые оказывают максимальное воздействия на процесс. Если в объекте имеются несколько независимых величин, их регулируют раздельно, вводя соответствующие контуры регулирования. в объектах с зависимыми регулируемыми величинами используются контуры регулирования, в которых учитывается степень воздействия управляющих сигналов на регулируемые величины.
По динамическим характеристикам объекта выбирают такие точки приложения управляющих воздействий, которые обеспечивают наибольшую скорость изменения регулируемых величин. Например, состав дистиллята на выходе ректификационной колонны обычно регулируют по температуре жидкости на контрольной тарелки в управляющей части. На эту температуру можно влиять, изменяя расход либо флегмы, либо греющего пара. Однако на практике состав дистиллята регулируют изменением расхода флегмы, т.к. оно в большой степени влияет на температуру верха колонны.
выбор типа регулятора. Канал регулирования выбирают так, чтобы изменение регулирующего воздействия хв (поток вещества или энергии, подаваемый в объект или выводимый из него) максимально изменяло регулируемую величину хвых, т.е. чтобы был максимальный коэффициент усиления (коэффициент передачи).
К качеству регулирования каждого конкретного технологического процесса предъявляются конкретные требования: а) в одних случаях оптимальным или заданным может служить процесс с минимальным значением динамической ошибки регулирования; б) в других – минимальное значение времени регулирования.
По этому в качестве заданного принимают один из трех типовых переходных процессов: а) граничный апериодический с минимальным временем регулирования; б) с 20%-ным перерегулированием; в) с минимальной квадратической площадью отклонения: min
·x2dt .
Переходный процесс в АСР зависит от свойств химико- технологического объекта, от характера и величины возмущающих воздействий, а также от типа регулятора (закона регулирования) и параметров настройки его.
Свойства простых объектов могут быть определены на основе математического описания или экспериментально по кривым изменениям выходных величин объекта во времени при типовых возмущениях.
Свойства сложных объектов на практике часто заменяют объектами 1-го порядка с запаздыванием.
В зависимости от отношения времени запаздывания и постоянной времени объекта
· /Т0 рекомендуют следующие типы регуляторов:
позиционное регулирование при
· /Т0 < 0,2;
регулятор непрерывного действия при 0,2 <
· /Т0 < 1,0;
многоконтурные системы регулирования при
· /Т0 > 1,0.
При выборе типа регулятора учитывают:
1. Свойства химико-технологического объекта;
2. Максимальную величину возмущения;
3. Принятые для данного технологического процесса вид типового переходного процесса;
4. Допустимые значения показателей качества процесса регулирования (динамическая ошибка х1доп.; статическая статистика хст.доп.; время регулирования tрдоп.).
Выбор регулятора прежде осуществлялся в следующей последовательности. Сначала проверяли сможет ли простейший регулятор (И – регулятор) обеспечить заданное качество регулирования. Если нет, то последовательно переходили к более сложным регуляторам. Выбор заканчивали, когда найден регулятор, обеспечивающий заданное качество регулирования.
Затем находят параметры настройки этого регулятора. Компактность и многофункциональность современных микропроцессорных регулирующих контроллеров (Р-110, Р-130, КР-300 и др.), позволяют заменить до 16 и более традиционных аналоговых регуляторов, как правило, с настройкой на ПИД – закон регулирования.
Время регулирования tp определяется из отношения tp /
·, при котором в системе обеспечивается протекание заданного типового переходного процесса. это отношение определяется по специальным графикам tp /
·=f (
· /Т0).
определение параметров настройки регулятора [47]. Для устойчивых объектов по графикам в зависимости от
· /Т0 (ось абсцисс) находят значения настроечных параметров Кр, Ти, ТД (ось ординат).

5.1.4. Элементы техники проектирования схем автоматизации

Функциональная схема автоматизации является основным техническим документом проекта автоматизации, определяющим структуру системы управления технологическим процессам, а также оснащение его средствами автоматизации. Схема дает представление об объекте управления. Поэтому на функциональной схеме даются изображения технологических аппаратов (колонн, теплообменников и т.д.), машин (насосов, компрессоров и т.п.) трубопроводов, автоматических устройств и показываются связи между ними.
Изображение на функциональных схемах технологических аппаратов, машин, трубопроводов и трубопроводной арматуры.
Технологические машины и аппараты на функциональной схеме изображают упрощенно [35], но в соответствии со схемой, принятой в технологической части проекта. Контуры графических изображений аппаратов и машин, а также соотношение их габаритных размеров должны соответствовать, как правило, действительным.
Около каждого аппарата и машины должно быть дано наименование или позиционное обозначение (арабскими цифрами). Наименование может быть вписано внутри условного графического изображения аппарата (машины). Разрешается использовать и буквенно-цифровые обозначения аппаратов (машин), например Т-3, Е-5, Н-8, где буква означает название аппарата (Т-теплообменник, Е- емкость, Н-насос), а цифра порядковый номер аппарата среди ему подобных.
Трубопроводы и арматура также обозначаются в соответствии с ГОСТами[35].
Изображение на функциональных схемах автоматических устройств и линий связи между ними. На функциональных схемах автоматизации условно показывают все средства, используемые для автоматического управления процессом, кроме вспомогательной аппаратуры (фильтров, редукторов и т.п.).
Для изображения автоматических устройств используют отрослевой стандарт ОСТ 36-27-77, «Обозначение условия в схемах автоматизации технологических процессов».
Измеряемые параметры обозначают следующим образом:
Измеряемые параметры
Обозначение

Плотность
D

Электрическая величина (любая)
E

Расход
F

Размер, положение, перемещение
G

Время
K

Уровень
L

Влажность
M

Давление, вакуум
P

Состав, концентрация и т.п.
Q

Радиоактивность
R

Скорость, частота
S

Температура
T

Несколько разнородных измеряемых величин
U

Вязкость
V

Масса
W

Функции, выполняемые приборами по отображению информации, обозначают следующим образом:

Сигнализация
A

Показания регистрация
I

Регистрация
R

Функции, выполняемые приборами по формированию выходного сигнала, обозначаются следующим образом:

Регулирование
С

Включение, отключение, переключение (эту букву не следует применять для обозначения функции регулирования, в том числе двухпозиционного)
S


На рис.5.1 приведен пример построения условного обозначения прибора для измерения, регистрации и регулирования перепада давлений.











Рис.5.1. Пример построения условного обозначения
прибора для измерения, регистрации
и регулирования перепада давления.
Все буквенные обозначения проставляются в верхней части окружности (эллипса), а в нижней части – позиционное обозначение.
Применяют два способа построения функциональных схем автоматизации: развернутый (рис.5.2) и упрощенный (рис.5.3).


Рис. 5.2. Пример выполнения функциональной схемы
по первому способу с изображением приборов по ОСТ 36-27-77.

Рис. 5.3. Пример выполнения функциональной схемы
по второму способу с изображением приборов по ОСТ 36-27-77.

При развернутом способе каждый прибор или блок, входящий в единый комплекс, изображают отдельным графическим обозначением.
Обозначения аппаратуры помещают в прямоугольниках в нижней части листа.
При упрощенном способе не показывают первичные измерительные преобразователи и всю вспомогательную аппаратуру. приборы и средства автоматизации, осуществляющие сложные функции (контроль, регулирование, сигнализацию и т.п.) и выполненные в виде отдельных блоков, показывают одним условным графическим изображением. Такой способ прост и менее трудоемок, но не дает представления о месте размещения автоматических устройств (на щитах, пультах, в шкафах).
Развернутый способ построения условных обозначений более полно раскрывает решения по автоматизации, по этому им пользуются чаще. для него установлены дополнительные буквенные обозначения, способы размещения преобразователей и вычислительных устройств.
5.2. Автоматизация производства нефтепродуктов
5.2.1. Автоматизация управления процессами первичной переработки нефти
Обезвоженная и обессоленная нефть (после блока ЭЛОУ) поступает в колонну отбензинивания 1 (рис.5.4), где происходит испарение легкокипящих фракций (бензина, воды), которые уходят из верхней части колонны, проходят воздушный 2 и водяной 3 конденсаторы-холодильники и поступают в емкость 4. Газ из нее поступает к фракционному абсорберу; отстоявшаяся вода отводится в канализацию; часть бензина подается насосом на орошение колонны 1, а остальной бензин поступает в емкость 19 и далее в стабилизационную колонну 32. Часть отбензиненной нефти с низа колонны забирается насосом 8 и направляется в трубчатую печь 7, откуда возвращается в колонну 1. Остальная нефть насосом 6 через печь 9 подается в колонну 14. Из верхней части колонны 14 пары бензина и воды поступают сначало в воздушный конденсатор 15, а затем в водяной 16. Конденсат собирается в емкости 10, откуда насосом 11 частично подается в колонну 14 в качестве острого орошения. Остальной конденсат поступает в емкость 19. Оставшаяся в емкости 10 вода отводится в канализацию, а газ сбрасывается на факел.
В нижнюю часть колонны 14 подается водяной пар для более полного извлечения светлых нефтепродуктов из мазута. Для съема тепла в колонне применяют два циркуляционных орошения – верхнее (ВЦО) и нижнее (НЦО). Для этого жидкость из колонны забирается насосами 13 и 17, проходит через теплообменники 12 и 18 и возвращается в колонну 1. В теплообменниках 12 и 18 осуществляется подогрев сырой нефти перед поступлением в колонну 1. Мазут из нижней части колонны 14 забирается насосом 21, прокачивается через печь 9 и поступает на вакуумную колонну 38. Из колонны 14 отбираются три боковых погона, которые подаются в отпарную колонну, состоящую из трех самостоятельных секций 22, 23, 24.
В каждую секцию подается водяной пар, способствующий извлечению легких фракций. Эти фракции возвращаются в колонну 14, а освобожденные от них целевые продукты насосами 25 – 27 через воздушные холодильники 28 – 30 подаются в парк. Продукт из секции 23 используют для подогрева бензина перед поступлением его в стабилизационную колонну 32 (см.теплообменник 31), а продукт из секции 22 частично идет в качестве абсорбента во фракционирующий абсорбер.
Пары из верхней части стабилизационной колонны 32 проходят через воздушный конденсатор-холодильник 33. Конденсат сливается в емкость 34, откуда насосом 35 частично поступает в колонну 32 в качестве орошения, другая его часть (головка стабилизации) выводится в установки. Сухой газ из емкости 34 отводится в топливную сеть. Нижний продукт колонны 32 – стабильная бензиновая фракция – поступает через печь 36 на установку вторичной перегонки бензина, где разделяется на узкие фракции. Для поддержания теплового режима в колонне 32 часть бензиновой фракции насосом 37 прокачивается через печь 36, где испаряется и в виде паров возвращается в колонну.
Из верхней части вакуумной колонны 38 водяные пары, газы разложения, небольшое количество дизельной фракции поступают в конденсатор 47. Конденсат направляется на прием сырьевых насосов, а несконденсировавшиеся газы отсасываются эжектором (на рис. не показан), обеспечивающим разрежение в колонне.
Для снижения температуры в нижней части колонны 38 и облегчения испарения легких компонентов в колонну вводится перегретый водяной пар.
Для съема тепла в колонне 38 предусматривается три циркуляционных орошения – верхнее (ВЦО), среднее (СЦО) и нижнее (НЦО). Для этого с определенных тарелок колонны насосами 40, 42 и 44 забирается жидкость (фракции), которая проходит через теплообменники 39, 41 и 43 и частично возвращается в колонну. Другая часть жидкости, прошедшей через теплообменники, возвращается на колонну 32.
Остаток вакуумной перегонки – гудрон – через теплообменник 46 выводится из установки. В теплообменнике 39 происходит подогрев химически очищенной воды. В теплообменниках 41, 43 и 46 осуществляется подогрев сырой нефти перед поступлением ее в колонну 1.
Автоматическое регулирование процесса первичной переработки нефти. Поддерживаются постоянные температуры в верхней и нижней частях колонны 1, для чего используют схемы связанного регулирования. Стабилизации подлежат давление в верхней части колонны 1; температура конденсата после водяного конденсатора 3 (связанное регулирование); расходы жидкости, поступающей в печь 7. Регулируют уровень конденсата в емкости 4 отводом части конденсата в емкость 19. Для сброса воды, собирающейся в нижней части емкости 4, используют регулятор уровня. Уровень жидкости в нижней части колонны 1 стабилизируют изменением расхода ее через печь 9 (схема связанного регулирования). Так же, как и в колонне 1, регулируют давление и температуру в верхней части колонны 14, температуру конденсата после водяного конденсатора 16, уровень в нижней части колонны, уровни в емкости 10 (по аналогии с емкостью 4). Температуры в зонах ВЦО, НЦО колонны 14 стабилизируют изменением расходов орошений (связанное регулирование). Регулируют расходы водяного пара, поступающего в колонну 14 и секции отпарной колонны. Уровни в секциях регулируют изменением расходов целевых продуктов (фракций), уходящих из секций.
Температура в верхней части колонны стабилизации 32 регулируется изменением расхода головки стабилизации, поступающей от насоса 35 в эту колонну (связанное регулирование). Давление в верхней части колонны 32 регулируется изменением расхода сухого газа. Температура в нижней части этой колонны регулируется изменением расхода топлива, поступающего в печь 36 (связанное регулирование). Аналогично регулируется и температура бензина, уходящего из печи 36 на установку вторичной перегонки. Уровень в емкости 34 регулируется изменением расхода головки стабилизации, уходящей с установки.
Температура в зонах циркуляционных орошений вакуумной колонны 38 регулируется изменением расхода фракций, уходящих из колонны, что приводит к изменению расхода орошений, возвращаемых в колонну (связанное регулирование). Уровень в нижней части колонны 38 и расход водяного пара, подаваемого в нее, стабилизируют. Требуемое остаточное давление в колонне обеспечивается воздействием на работу эжектора.

5.2.2 Автоматизация управления процессом
каталитического крекинга
Каталитический крекинг различных видов дистиллятного и остаточного сырья предназначен для получения компонентов высокооктановых бензинов и газа с высокой концентрацией пропан-пропиленовой и бутан-бутиленовой фракций. Процесс протекает при температуре 420-5500С и давлении 0,1-0,2 Мпа в присутствии алюмосиликатных, цеолитсодержащих и других катализаторов. Основным узлом установки каталитического крекинга является реакторно-регенераторный блок. Функциональная схема системы автоматического регулирования реакторно-регенераторного блока установки каталитического крекинга изображена на рис 5.5. Система предусматривает автоматическую стабилизацию переменных параметров, характеризующих работу трех самых важных агрегатов блока – нагревательной печи 1, реактора 2 и регенератора 3.

Рис.5.5 Схема автоматического регулирования реакторно-регенераторного блока установки каталитического крекинга:1-нагревательная печь; 2-реактор; 3- регенератор; 4-7 – регуляторы температур; 8, 9- регуляторы расходов; 10-регулятор уровня; 11 – регулятор закоксованности катализатора; 12-18 – регулирующие клапаны

Система регулирования состоит из ряда взаимосвязанных контуров, обеспечивающих стабилизацию следующих переменных процесса: температуры подогрева сырья в нагревательной печи, уровня кипящего слоя в ректоре, расхода закоксованного катализатора, выходящего из реактора, расхода регенерированного катализатора, выходящего из регенератора, температуры кипящего слоя в реакторе и в регенераторе, закоксованности катализатора, выходящего из регенератора. Реактор и регенератор, рассматриваемые с позиции автоматического регулирования, представляют собой многосвязанный объект с положительной обратной связью. Это вызвано тем, что увеличение содержания кокса на катализаторе на выходе из реактора при избытке воздуха в регенераторе вызывает увеличение температуры кипящего слоя регенератора и, следовательно, возрастание температуры кипящего слоя в реакторе. При этом увеличивается глубина разложения сырья и происходит дальнейшее коксование катализатора. Таким образом, система реактор – регенератор имеет тенденцию к неустойчивости. Указанная особенность объекта регулирования характерна не только для его теплового режима, но и для гидродинамического.
Ниже приведено описание систем автоматического регулирования реакторно – регенераторного блока. Автоматическое регулирование температуры подогрева сырья осуществляется по каскадной схеме, причем промежуточной координатой служит температура перевальной зоны печи. В качестве управляющего воздействия используют расход топливного газа в печь. Этот контур регулирования реализован с помощью регулятора 6, воздействующего на регулирующий клапан 13.
Температура подогрева сырья на выходе печи стабилизируется регулятором 5, выходной сигнал которого формирует задание регулятору 6. Применение для стабилизации температуры подогрева сырья каскадной САР целесообразно, поскольку основные возмущения (например, изменение давления в линии топливного газа) воздействуют на систему со стороны регулирующего органа. Другим обстоятельством служит то, что инерционность канала «расход топливного газа – температура перевальной зоны печи» значительно меньше инерционности канала «расход топливного газа – температура подогрева сырья».
Связанная система автоматического регулирования режима реактора предусматривает стабилизацию температуры и уровня кипящего слоя в реакторе, а также расхода катализатора из реактора в регенератор. Регулирование температуры в реакторе 2 осуществляется регулятором 4, воздействующим на регулирующий клапан 12, изменяющий расход холодного сырья через байпас помимо печи. Регулирование уровня осуществляется регулятором 10, изменяющим расход дымовых газов из регенератора 3 с помощью регулирующего клапана 16. Регулирование расхода катализатора из реактора в регенератор осуществляется регулятором 8 изменением подачи транспортирующего агента в подъемный стояк реактора путем воздействия на регулирующий клапан 14.
В процессе регулирования температуры кипящего слоя изменяется расход сырья через байпас и, следовательно, через печь. Поэтому в САР температуры сырья возникнут возмущения. Для стабилизации температурного режима печи и улучшение показателей качества сар температуры подогрева сырья в системе предусмотрена коррекция задания для регулятора температуры 6 от регулятора температуры 4, изменяющего расход топливного газа, поступающего в печь при изменении положения регулирующего клапана на байпасе холодного сырья.
САР технологического режима регенератора обеспечивает: стабилизацию температуры в регенераторе с помощью регулятора температуры 7,воздействующего на регулирующий клапан 17 подачей конденсата в охлаждающие змеевики регенератора; стабилизацию закоксованности катализатора, выходящего из регенератора с помощью регулятора 11, воздействующего на регулирующий клапан 18 подачей воздуха в регенератор; стабилизацию расхода катализатора из регенератора в реактор с помощью регулятора 9, воздействующего на регулирующий клапан 15 подачи транспортирующего агента.

5.2.3. Автоматизация управления процессом
гидроочистки дизельного топлива
Процесс гидроочистки дизельного топлива предназначен для удаления сернистых соединений из прямогонного дизельного топлива. Показателем эффективности процесса - является состав очищенного топлива (гидрогенизата).
На рис.5.6. представлена функциональная схема автоматизации реакторного блока установки гидроочистки дизельного топлива. Сырье (расход которого стабилизируется с помощью регулятора 1 и регулирующего клапана 2) смешивается с циркуляционным водородсодержащим газом, расход которого контролируется с помощью датчика 3. Газо-сырьевая смесь, пройдя предварительно теплообменник 4, нагревается в печи 5 до температуры реакции. Температуру продукта на выходе печи стабилизируют с помощью регулятора 6 воздействием на регулирующий клапан 7 подачи топлива в печь.


Рис. 5.6. Схема автоматизации реакторного блока установки
гидроочистки дизельного топлива:
1регулятор расхода; 2регулирующий клапан; 3датчик расхода; 4теплообменник; 5трубчатая печь; 6регулятор температуры; 7регулирующий клапан; 8-9 реакторы; 10, 11многоточечный автоматический потенциометр; 12датчик перепада давлений (РDR); 13датчик температуры; 14, 15сепараторы; 16, 17холодильники; 18 многоточечный автоматический потенциометр; 19, 20регуляторы уровня; 21, 23 регулирующие клапаны; 24регулятор давления; 25датчик температуры

После трубчатой печи нагретая смесь проходит последовательно реакторы 8 и 9. В реакторах содержащаяся в дизельном топливе сера соединяется с водородом циркуляционного газа. При работе реакторов особое внимание уделяют контролю теплового режима, для чего в них установлены многозонные термоэлектрические преобразователи, подключенные к многоточечному автоматическому потенциометру 10 (поскольку автомати зация обоих реакторов аналогична, она показана на примере одного реактора). Кроме того, осуществляется контроль температуры наружных стенок реакторов с помощью датчиков температуры в различных точках и потенциометра 11.
Состояние катализатора (степень его закоксованности) косвенно оценивают по перепаду давлений на входе и выходе реакторов, измеряемому датчиком 12. Температуру продуктов реакции на выходе реакторов контролируют датчиком 13.
Перед разделением продуктов реакции их тепло используют для нагрева газо-сырьевой смеси в теплообменнике 4. Перед разделением продуктов реакции в сепараторах 14 и 15 соответственно высокого и низкого давлений продукты реакции охлаждаются в воздушном и водяном холодильниках 16 и 17. Температуры продуктов реакции на входе и выходе теплообменника 4, холодильников 16 и 17 контролируют с помощью многоточечного автоматического потенциометра 18. Из верхней части сепаратора 14 отводится насыщенный сероводородом циркуляционный газ, а снизу -гидрогенизат, который в сепараторе 15 частично освобождается от растворенного в нем так называемого жирного газа., содержащего ряд компонентов. Из сепаратора 15 гидроочищенное дизельное топливо направляется на стабилизацию. Уровень в сепараторах регулируют с помощью регуляторов 19 и 20 воздействием на регулирующие клапаны 21 и 22 отбора гидрогенизата. Давление в сепараторе 15 стабилизируют с помощью регулятора 23 воздействием на регулирующий клапан 24 сброса газа.

5.2.4. Процесс замедленного коксования
Коксование нефтяных остатков и высококипящих дистиллятов вторичного происхождения используют для получения малозольного электродного кокса, применяемого в алюминиевой промышленности. Одновременно получаемые коксовые дистилляты вовлекаются в дальнейшую переработку для получения светлых нефтепродуктов. Коксование ведут при давлении 0,1 0,3 МПа и температуре 480540 °С.
Автоматическая система контроля и регулирования режима трубчатой печи установки замедленного коксования предназначена для стабилизации основных параметров нагрева первичного и вторичного сырья перед коксованием.
На установках замедленного коксования первичное сырье (смесь гудрона или крекинг-остатка) нагревается в конвекционных змеевиках трубчатой печи, после чего направляется в ректификационную колонну, где за счет контакта с нефтяными парами, поступающими из реакторов, обогащается рециркулирующими продуктами. В результате образуется вторичное сырье, которое насосами подается в реакционные змеевики печи для скоростного высокотемпературного нагрева.
Для создания высоких скоростей и предотвращения коксоотложения в трубах печи в поток вторичного сырья при входе в печь подается турбулизатор (конденсат водяного пара). Нагретое в печи до 490510 °С вторичное сырье поступает в реактор, где завершается начавшийся в печи процесс частичного испарения, деструктивного разложения сырья и замедленного коксования.
Ввиду высоких температур и вязкости нагреваемого сырья» склонности его к коксованию, наличия механических примесей, малых расходов турбулизатора и других факторов автоматизация трубчатых печей затруднена.
Основным фактором, влияющим на производительность и длительность межремонтного пробега, является скорость закоксовывания змеевика трубчатой печи, которая зависит в основном от качества сырья и .режима работы печи. Температурный режим печи необходимо вести так, чтобы в змеевике протекали преимущественно физические процессы нагревания и испарения, а процессы крекинга, конденсации и уплотнения, т. е. образования кокса, происходили бы в реакторах.
Трубчатые печи установки замедленного коксования работают в жестких условиях, характеризующихся высокой температурой нагрева сырья и малыми допустимыми отклонениями ее от заданного значения. Даже кратковременное отклонение температуры от заданной приводит к закоксовыванию и прогару труб, нарушению технологического процесса установки и сокращению межремонтного пробега.
Учитывая важность достоверного контроля тепловой нагрузки печи по каждому (левому и правому) потоку сырья, при оценке состояния реакционной зоны змеевиков целесообразно наряду с измерением расходов сырья и общего расхода топливного газа измерять расход газа в каждую камеру сгорания печи. В качестве характеристики состояния змеевика печи (степени ее закоксованности) можно использовать перепад температур на коксующемся участке.
Одним из важнейших параметров процесса замедленного коксования, определяющим условия работы печей, количество и качество продуктов фракционирования, является коэффициент рециркуляции сырья (Кр):
Кр = Fвт.с
·вт.с /( Fпер.с
·
·пер.с),
где Fвт.с, Fпер.с - расходы соответственно вторичного и первичного сырья;
·вт.с,
·пер.сплотности соответственно вторичного и первичного сырья.
Функциональная схема системы автоматического контроля и регулирования технологических параметров трубчатой печи установки замедленного коксования приведена на рис.5.7, где показана одна печь. Фактически установка содержит две аналогичные по устройству и системам печи, работающие на параллельных потоках сырья. По схеме управления автоматическому контролю подлежат следующие параметры:


Рис.5.7. Схема системы автоматического контроля и регулирования технологических параметров трубчатой печи установки замедленного коксования:
1 трубчатая печь; 2 насос; 312 датчики температур; 1318 датчики расходов;, 19, 20регуляторы температур; 21, 22регуляторы расходов; 23 регулятор давления;
24, 25 плотномеры; 26 вычислительное устройство; 2731регулирующие клапаны

общий расход первичного сырья в печь (датчик 18);
общий расход вторичного сырья в печь (датчик 17);
расходы вторичного сырья в каждом потоке печи (датчики 15 и 16);
коэффициент рециркуляции сырья (вычислительное устройство 26);
температуры по длине каждого змеевика (датчики 37 и 8-12);
перепад температур на коксующейся части каждого змеевика (датчики 6, 7 и 11, 12);
расход газа в каждую камеру сгорания (датчики 13 и 14).
Автоматическому регулированию подлежат следующие параметры: давление топливного газа (регулятор 23 и клапан 27); температуры нагрева вторичного сырья в точке каждого змеевика печи, предшествующей зоне активного коксообразования (изменение подачи топливного газа в камеру сгорания обеспечивается регуляторами температуры 19, 20 и клапанами 28,31);
расход турбулизатора (пара), подаваемого во вторичное сырье (регулятор 22 и клапан 30).
Система автоматического контроля коэффициента рециркуляции сырья работает следующим образом. Сигналы с датчиков 17 и 18 расхода соответственно вторичного и первичного сырья и плотномеров 24 и 25 поступают в вычислительное устройство 26, которое реализует приведенное выше уравнение для расчета Кр. По значению коэффициента рециркуляции оператор судит о работе печи и реактора. В зависимости от производственной необходимости можно улучшить качество получаемого кокса, увеличивая коэффициент рециркуляции, однако производительность установки при этом снижается.

5.2.5. Автоматизация управления процессом алкилирования бензола
Алкилированиепроцесс введения алкильных групп в молекулы органических и некоторых неорганических веществ. Процессы алкилирования являются промежуточными стадиями в производстве мономеров для синтетического каучука, моющих веществ и других продуктов.
Процесс алкилирования является каталитическим, катализатором служит фосфорная или серная кислота, хлорид алюминия и др. Наибольшее распространение получил процесс алкилирования бензола пропиленом в присутствии хлорида алюминия, в результате чего получают изопропилбензол (кумол), который используют для производства фенола, ацетона, в качестве высокооктанового компонента авиационных топлив. Сырьем для производства изопропилбензола служат пропан-пропиленовая фракция, содержащая 40- 80 % пропилена, и бензол. Хлорид алюминия вводится в количестве 8-10% от алкилата. Процесс ведут при давлении 0,5-1 МПа и температуре 90-130°С.
Автоматическая система регулирования процесса алкилирования бензола предназначена для поддержания оптимального соотношения бензольных и алкильных групп. Объектом регулирования является аппарат, предназначенный для проведения процесса алкилирования бензола пропиленом. В алкилатор подаются осушенный бензол, свежий катализаторный комплекс (СКК), пропан-пропиленовая фракция (ППФ), полиалкилбензол (ПАБ) и возвратный катализаторный комплекс (ВКК). Из алкилатора выводится реакционная масса вместе с непрореагировавшими газами (абгазы).
В отстойнике из реакционной массы отделяется увлеченный тяжелый катализаторный слой, который возвращается в алкилатор. В абгазах содержатся пары бензола, которые после улавливания возвращаются в процесс. В системе регулирования, представленной на. рис.5.8, в качестве основного независимого параметра принят расход бензола, определяющий производительность алкилатора по сырью и в конечном итогепо целевому продукту. Расход пропилена Fппф поддерживается в зависимости от расходов бензола (Fб), полиалкилбензола (Fпаб), катализаторного комплекса (Fкк) и давления (Р) в алкилаторе, в соответствии с линейным уравнением:
Fппф = a0 + a1Fб a2Fпаб + а3Fкк а4Р,
где а0, а1 – а4 коэффициенты.
Расчет по данному уравнению производится с помощью вычислительного устройства, реализующего операцию умножения входных переменных на постоянный коэффициент с последующим алгебраическим сложением результатов. Коэффициенты а0, а1 – а4 определены из принятого механизма реакции и уточнены статистическим путем. На вычислительное устройство 14 подаются сигналы с датчиком 5, 4, 6 и 11, пропорциональные соответственно расходам бензола, ПАБ, СКК и давлению в алкилаторе. При увеличении расхода бензола и катализаторного комплекса и уменьшении расхода полиалкилбензола соразмерно с коэффициентами а1 - аз увеличивается расход ППФ. Коррекция расхода ППФ по давлению в алкилаторе введена с целью устранения неучтенных возмущающих воздействий, например активности каталитического комплекса, качества бензола и ППФ и других факторов. При увеличении или уменьшении давления в алкилаторе расход ППФ соответственно уменьшается или увеличивается. Кроме того, предусмотрено регулирование подачи свежего катализаторного комплекса и вывода из системы ВКК в зависимости от его состава, который может быть определен с помощью датчика электропроводности.


Рис. 5.8. Схема автоматического регулирования процесса алкилирования бензола:
1алкилатор; 2отстойник; 3насос; 46датчики расходов; 710регуляторы расходов; 11датчик давления; 12регулятор давления; 13регулятор состава катализаторного комплекса; 14вычислительное устройство; 1520регулирующие клапаны

Для этого регулятор 13 состава ВКК воздействует на регулирующий клапан 19 вывода из системы ВКК и на регулятор 10 расхода СКК, изменяя тем самым их подачу в алкилатор. Например, если активность ВКК снижается, то увеличивается количество выводимого из системы ВКК и соответственно увеличивается подача СКК.

5.3. Автоматизация управления процессами производства
некоторых органических продуктов
5.3.1. Автоматизация управления процессом производства олифинов
Производство олефинов основано на термическом разложении углеводородного сырья на ряд продуктов и выделении этих продуктов с заданной степенью чистоты. В зависимости от условий разложения преобладающим является тот или иной продукт. При этилен-пропиленовом режиме олефины С2С4 составляют до 50 - 60% (на перерабатываемое сырье); всего же получают десять продуктовводород, метан, этан, этилен, пропан, пропилен, фракции С4 и С5, ароматические углеводороды и тяжелое жидкое топливо. Наиболее потребляемым продуктом нефтехимической промышленности является этилен.
Технологическая схема производства. Схема включает две основные уста- новки: пиролиза и газоразделения (рис5.9.). Установка пиролиза представ- ляет собой группу параллельно работающих бензиновых и этановых трубчатых печей. Сырье поступает в каждую печь отдельными потоками, продукты пиролиза по общему коллектору направляются на установку газоразделения. Для снижения коксообразования в змеевики печей подают водяной пар в количестве 40 - 60% от нагрузки по сырью для бензиновых печей и 15 - 20% для этановых. Этан поступает на пиролиз в качестве рециркулирующего потока с установки газоразделения.
Топливом для обогрева змеевика служат метано-водородная фракция или тяжелые жидкие фракции, получаемые при пиролизе. Выработка водяного пара при утилизации тепла продуктов пиролиза и дымовых газов позволяет снизить энергетические затраты производства олефинов.
Установка газоразделения отличается сложностью, что обусловлено мно-гокомпонентностью поступающей на ее вход углеводородной смеси и большим числом товарных продуктов. Условно ее можно разделить на семь основных узлов.
С установки пиролиза пирогаз поступает в узел 1 первичного фракционирования, компрессии, очистки и осушки, где часть пирогаза конденсируется. Один поток конденсата тяжелое жидкое топливо (ТЖТ) отводится на склад. Второй потокболее легкий конденсатподается в узел 6 выделения фракции С3; третий потокв узел 5 получения фракции С4 и гидростабили-зированного бензина (ГСБ). Оставшийся пирогаз поступает в первичную ме-
тановую колонну К-11 (узел 2), предназначенную для грубой отгонки мета-новодородной фракции. На узле 3 выделяется фракция С2, которая далее поступает в узел 4 получения чистого этилена. В состав этого узла входят реактор гидрирования ацетиленовых соединений Р-1, колонна разделения этан-этиленовой фракции К-14 и вторичная метановая колонна К-13. Остатки метановой фракции, содержащей значительную примесь этилена, рециркулируют через узел компрессии.
Кубовый продукт колонны К-12 выделения фракции С2 поступает в узел 6, предназначенный для выделения фракции С3. Фракция С3 передается далее
в узел 7 получения товарного пропилена. Он охватывает реактор гидрирования ацетиленовых соединений Р-2, колонну К-16 отгонки остатков фракции С2 и колонну получения чистого пропилена К-17. Остатки фракции С2 из узла 7 рециркулируют через узел компрессии. Кубовый продукт колонны выделения фракции Сз поступает в узел 5 получения фракции С4 и ГСБ. Таким образом, установка газоразделения имеет один входной, восемь выходных и два рециркулирующих потока.
Распределение затрат по стадиям производства олефинов характеризуется следующими показателями. Для печей пиролиза наибольшие затраты (80% и более) приходится на основное сырье. Это необходимо учитывать при формировании критерия управления процессом пиролиза.
Анализ материального баланса по углеводородам для производства в целом и основных его участков позволил установить, что потери этилена и пропилена (в % от общего количества этих продуктов) составляют соответственно: на агрегатах газоразделения - 2,8 и 2,2%; при гидрировании ацетиленовых углеводородов - 2,1 и 8,5%.
Таким образом, с точки зрения необходимости разработки системы управления наибольший интерес представляет установка пиролиза: она характеризуется большими энергозатратами и расходами на сырье; здесь определяются состав товарных продуктов и, следовательно, экономические показатели производства. Ниже приведены схемы автоматизации отделения пиролиза.
Автоматизация процесса. Режимными параметрами трубчатой пиролизной печи, определяющими термические превращения углеводородов и, следовательно, состав получаемых продуктов, являются: температурное поле (профиль) реакционной смеси по длине змеевика; продолжительность пребывания смеси в зоне реакции (время контакта); соотношение расходов сырья и водяного пара, поступающих в реактор; поле давления реакционной смеси по длине змеевика; состав исходного сырья; степень закоксовывания змеевика.
Управляющими воздействиями, с помощью которых осуществляют изменение и стабилизацию технологического режима в пиролизной печи, служат расходы сырья и пара в змеевик и расходы топливного газа в обогревающие горелки. Путем перераспределения топлива, подводимого к отдельным горелкам (или их группам), можно изменять характер температурного поля смеси по длине реакционной зоны. При регулировании теплового режима в печах некоторых конструкций в качестве управляющего воздействия используют подачу хладоагента (пара, сырья, воды, инертного газа) в промежуточные зоны змеевика.
Одной из важнейших задач автоматического регулирования работы пиролизных печей является стабилизация теплового режима, в частности температуры пирогаза на выходе из печи. Как правило, эту температуру стабилизируют воздействием на расход топливного газа к горелкам.
Для компенсации возмущений применяют каскадные схемы регулирования. В качестве промежуточной точки используют температуру перевала (рис. 5.10) перепад давления в змеевике (рис. 5.11) или давление топливного газа (рис. 5.12). Применяют также коррекцию по расходу, давлению, температуре и составу сырья.
В печах, где несколько змеевиков обогревается одним экраном горелок, температуру на выходе одного из них регулируют воздействием на подачу топлива, а на выходе из остальных воздействием на подачу в них сырья (рис. 5.13) или водяного пара (рис. 5.14).
При автоматическом управлении промышленными печами важную задачу представляет стабилизация оптимального теплового режима по длине реакционной зоны змеевиков (температурного профиля). Структура системы автоматической стабилизации температурного профиля зависит от конструкции конкретной печи.

Рис. 5.10. Система автоматического регулирования температуры пирогаза с коррекцией по температуре дымовых газов:
1 печь пиролиза; 2 змеевик; 3 регулирующий клапан; 4регулятор температуры дымовых газов; 5 регулятор температуры пирогаза


Рис. 5.11. Система автоматического регулирования температуры пирогаза с коррекцией по перепаду давления в пирозмеевике:
1регулятор расхода; 2регулирующий клапан; 3-датчик перепада давлений; 4 регулятор температуры

Рис. 5.12. Система автоматического регулирования температуры пирогаза с коррекцией по давлению топливного газа:
1регулирующий клапан; 2датчик давления; 3регулятор температуры


На рис. 5.15 приведена система зонного регулирования температурного профиля реакционной смеси в змеевиках трубчатой печи с вертикальным расположением труб. Она осуществляет стабилизацию температуры Т5 стенки труб змеевиков в конечной и средней частях (воздействие на подачу топлива в противолежащие зоны горелок) и регулирование температуры продуктов пиролиза на выходе из печи Т6 изменением подачи топлива в зону горелок, обогревающую начальный участок змеевика.

Рис. 5.13. Система автоматического регулирования температурного режима пиролизной печи путем изменения расходов топлива и сырья:
I, 2 регулирующие клапаны; 3, 4 регуляторы температуры; 5ретулятор расхода

Рис. 5.14. Система автоматического регулирования температурного режима пиролизной печи путем изменения расходов топлива и пара:
1, 2регулирующие клапаны; 3, 4регуляторы температуры; 5регулятор расхода


Задание регуляторам температуры стенок труб змеевиков соответствует максимально допустимому пределу нагрева материала змеевика. Такая система регулирования позволяет при любом режиме поддерживать оптимальную (в данном случае максимально возможную) крутизну температурного профиля потока.
Для измерения температуры стенки змеевика в каждой зоне устанавливают несколько термопар. С помощью искателя максимальной температуры определяется значение температуры в наиболее нагретой точке, которое затем поступает на вход соответствующего регулятора и поддерживается им на максимально допустимом значении.
Для пиролизных печей с горизонтальным расположением труб змеевиков и расширенным обогревающим экраном горелок применяют системы регулирования величины реакционной зоны (рис. 5.16. и 5.17.). При изменении нагрузки печи по сырью устройство 5 (см. рис. 5.16.) управления размером реакционной зоны производит последовательное включение или отключение подачи топливного газа в три нижних ряда горелок. Отключение ряда горелок, обогревающих начальный участок змеевика, приводит к концентрации подводимого тепла на конечном участке и сокращению реакционной зоны процесса (увеличению крутизны температурного профиля реакционной смеси).

Рис. 5.15. Система зонного регулирования температурного профиля в змеевиках трубчатой печи с вертикальным расположением труб:
13регулирующие клапаны; 46 регуляторы температуры; 7, 8 многоточечные автоматические потенциометры; 9, 10 искатели максимальной температуры

Алгоритм работы устройства 5 составляют на основе экспериментальных данных с таким расчетом, чтобы при различных нагрузках по сырью обеспечить максимально возможную крутизну температурного профиля. Он позволяет изменять пределы срабатывания клапанов, предел их закрытия и время, в течение которого клапан переводится из нижнего положения в верхнее (и наоборот).
Общее количество тепла, необходимого для проведения реакции пиролиза, регулируют по температуре продуктов пиролиза на выходе из печи воздействием на общую подачу топливного газа в горелки.

Если горелки трубчатой печи имеют ограниченную тепловую мощность, то при управлении тепловым режимом в печи целесообразно поддерживать максимальный расход топлива в горелки, обогревающие конечный участок змеевика. Такой способ управления реализуется системой, принципиальная схема которой представлена на рис. 5.17. В качестве параметра, характеризующего теплоподвод на конечном участке реактора, выбрано давление топлива перед обогревающими горелками. Алгоритм управления клапанами на линиях подвода топлива в начальную зону горелок в зависимости от давления топлива разрабатывают на основе экспериментальных данных. Это позволяет автоматически компенсировать влияние на тепловой режим неконтролируемых возмущенийзакоксованности змеевика, изменения состава сырья и т. д.

Рис. 5.16. Система зонного регулирования температурного профиля в пиролизной печи с горизонтальным расположением труб змеевиков:
14 регулирующие клапаны; 5 – устройство управления; 6 – регулятор температуры; 7 датчик расхода

Рис. 5.17. Система зонного регулирования температурного профиля в пиролизной печи с горизонтальным расположением труб змеевиков:
14 регулирующие клапаны; 5 – устройство управления; 6 – регулятор температуры; 7 датчик давления


Для пиролизных печей, в которых невозможно изменять температурный профиль смеси путем перераспределения топлива по зонам обогрева, применяют системы регулирования температурного профиля изменением подачи хладоагента, в качестве которого используют водяной пар или воду.
Система регулирования предусматривает регулирование соотношения между расходами сырья и водяного пара в змеевик. Если технологический регламент установки позволяет изменять расход пара в некоторых пределах, то для управления тепловым режимом процесса можно использовать системы, непосредственно изменяющие время пребывания (снижающие его до минимально допустимого). Эту систему регулирования целесообразно применять для печей с сильными перекрестными связями между подачей топлива в горелки и температурой стенки змеевика, Система осуществляет увеличение подачи пара в змеевик (т. е. уменьшение эффективного времени пребывания) до предела, обусловленного ограничениями на интенсивность подвода тепла к змеевику: максимальной температурой стенки змеевика (рис. 5.18.) или максимальным расходом топлива в горелки (рис. 5.19.).


Рис.5.18. Принципиальная схема системы регулирования теплового режима пиролизной печи по длине змеевика воздействием на подачу пара:
1,2 – регулирующие клапана; 3,4 – регуляторы температуры

Рис.5.19. Принципиальная схема системы регулирования теплового режима пиролизной печи по длине змеевика воздействием на подачу пара:
1,2 – регулирующие клапана; 3– регуляторы температуры; 4 –регулятор давления




Рис. 5.20. Принципиальная схема системы управления тепловым режимом' процесса пиролиза в многопоточной трубчатой печи:
1,2 регулирующие клапаны; 3,4 датчики расхода; 5,бдатчики температуры: 7,8 усреднители; 9, 10регуляторы температуры; 11 многоточечный автоматический потенциометр; 12искатель максимальной температуры

На рис. 5.20 представлена система зонного регулирования подвода тепла к змеевику в многопоточной печи, которая предусматривает управление по усредненной температуре пирогаза на выходе змеевика и по максимальной из совокупности измеренных температур стенки змеевиков. Поверхностные термопары, установленные на стенках змеевиков в конечных зонах радиантной камеры печи, подсоединены к многоточечному потенциометру 11, выход которого связан с искателем 12 максимальной температуры. Выход искателя является переменной величиной, поступающей на вход регулятора 10, задание которому устанавливают с учетом верхнего предела температуры нагрева стенки змеевика. Выходной сигнал регулятора 10 воздействует на клапан 2, установленный на линии подачи топлива. Таким образом, контур регулирования обеспечивает подвод максимально допустимого количества тепла в конечную зону пиролиза. Количество тепла, подводимого в начальную зону, регулируют с помощью регулятора 9 и клапана 1. В качестве переменной на регулятор 9 поступает сигнал, пропорциональный среднему значению температур пирогаза па выходе змеевиков. Этот сигнал вырабатывается с помощью усреднителя 8. Уставку регулятору 9 корректируют по среднему значению расхода бензина, определяемому усреднителем 7.

5.3.2. Автоматизация управления процессом производства ацетилена

Технологическая схема производства ацетилена пиролизом природного газа состоит из следующих отделений.
Отделение компрессии и пиролиза. Природный газ, предварительно нагретый в подогревателе 3, подается в реактор 4 (рис. 5.21). В результате сжигания части исходного сырья - метана достигается температура 14001500 °С, необходимая для проведения эндотермической реакции образования ацетилена. Необходимый для горения кислород сжимается в турбокомпрессоре 1 и нагревается в подогревателе 2. Для стабилизации процесса горения в реактор дополнительно непрерывно вводят небольшое количество кислорода (стаби-лизирующий кислород). Реакция получения ацетилена при высоких температурах обратима. Для предотвращения разложения ацетилена пирогаз подвергают «закалке» путем впрыскивания холодной воды или бензина.
Газы пиролиза содержат ацетилен (7- 8%) и другие продукты. Сажа из
нижней части реактора выводится с помощью отделителя технического углерода (сажи) 5. Из реактора газы пиролиза поступают в скруббер на дальнейшее охлаждение и очистку от сажи. Электрофильтр тонкой очистки 7 обеспечивает практически полную очистку газов пиролиза от сажи.
Отделение компрессии газов пиролиза. Газы пиролиза, охлажденные в холодильнике 8, подаются в шестиступенчатый компрессор 11, где сжимаются до давления 0,9 МПа. В турбину компрессора, служащую его приводом, подается синтез-газ (смесь СО-Н2), отогнанный от газов пиролиза; после турбины он направляется к потребителю и «на свечу». Требуемый состав синтез-газа обеспечивается в газгольдере 9. Синтез-газ нагревается в теплообменнике 10.
Отделение концентрирования. Сжатый пирогаз поступает в абсорбционную колонну 13, орошаемую диметилформамидом. В колонне растворитель поглощает весь диацетилен и небольшое количество ацетилена. Насыщенный абсорбент подается в колонну десорбции 14, в которой за счет продувки и одновременного снижения давления выделяется растворенный ацетилен. Выделившийся газ (циркуляционный) направляется во всасывающую линию компрессора.
Для отгонки оставшегося в растворителе диацетилена служит колонна десорбции 17. Процесс в ней ведется под вакуумом при повышенной температуре н одновременной продувке синтез-газа. Необходимая температура достигается нагреванием насыщенного растворителя в теплообменнике 16 и нагреванием синтез-газа острым паром; вакуум создается вакуум-насосом 18.
Отмытый пирогаз с верха колонны 13 поступает в колонну 19, где происходит абсорбция диметилформамидом ацетилена, его гомологов, а также небольшого количества синтез-газа. Основная часть синтез-газа выводится из верхней части колонны 19. Насыщенный абсорбент из колонны 19 подается в верхнюю часть десорбционной колонны 20, где в результате снижения давления из раствора диметилформамида выделяется большая часть плохо растворимых газов (циркуляционный газ). Эти газы отводятся из верхней части колонны 20. Диметилформамид стекает в куб колонны навстречу ацетилену-сырцу, который подается в среднюю часть колонны.
Ацетилен-сырец состоит в основном из ацетилена с примесью высших ацетиленовых углеводородов, которые поглощаются диметилформамидом. Получаемый в колонне 20 ацетилен-концентрат направляется в промыватель 21 для отмывки водой остатков диметилформамида. Отводимый диметилформамид возвращается в колонну 20.
Растворитель из куба десорбера подается в теплообменник 23, нагревается в нем до 104 °С и затем поступает в верхнюю часть десорбционной колонны 24. За счет снижения давления и повышения температуры в этой колонне происходит выделение ацетилена из диметилформамида. Ацетилен отводится из верхней части колонны.
Из десорбера 24 растворитель стекает в вакуум-десорбционную колонну 25. Вакуум в колонне создается с помощью компрессора 26. Отсасываемый компрессором ацетилен-сырец направляется в десорбер 20, а растворитель из куба колонны стекает в испаритель 27, где из диметилформамида испаряется вода. Парогазовая смесь, выводимая из испарителя, состоит из паров воды и растворителя, а также высших ацетиленовых углеводородов. Она поступает на вспомогательную колонну (на схеме не показана) для разгонки.
Автоматизация процесса пиролиза. Показателем эффективности процесса пиролиза является выход ацетилена, а целью управленияподдержание его на заданном значении. Выход ацетилена определяется составом природного газа, температурой в реакторе и временем пребывания природного газа в зоне реакции. С изменением состава природного газа в объекте появляются возмущения. Для того, чтобы при наличии этих возмущений метан, содержащийся в природном газе, полностью вступил в реакцию, температуру в реакторе не стабилизируют, а изменяют в зависимости от концентрации метана в газах пиролиза. Эта температура определяется количеством сжигаемого газа и соотношением метана и кислорода, подаваемого в реактор. Для грубого регулирования соотношения расходов природный газ: кислород устанавливают регулятор соотношения расходов природного газа и основного потока кислорода. Точное регулирование осуществляется двухконтурной системой, в которой основным является регулятор концентрации метана в газе пиролиза, а вспомогательным - регулятор расхода кислорода в байпасной линии.
Для стабилизации пламени в горелках реактора поддерживают постоянный расход стабилизирующего кислорода с помощью регулятора расхода. С этой же целью поддерживают постоянными температуры природного газа и кислорода. Для предотвращения разложения ацетилена температуру газов пиролиза стабилизируют изменением расхода холодной воды, вводимой в реактор на закалку.
Время пребывания природного газа в зоне реакции зависит от скорости прохождения газа через реактор, которая определяется манометрическим режимом реактора. Для поддержания нормального манометрического режима устанавливают регуляторы давления природного газа и кислорода. При этом давление кислорода в нагнетательной линии турбокомпрессора 1 стабилизируют дросселированием его из нагнетательной магистрали во всасывающую.
Заданная степень очистки газов пиролиза от сажи в скруббере 6 достигается установкой регулятора расхода воды, подаваемой в скруббер.

5.4. Автоматизация управления прцессами производства
синтетического каучука

5.4.1. Автоматизация производства бутадиен-стирольного каучука
5.4.1.1. Технологическая схема производства. Бутадиен-концентрат, стирол-ректификат и стирол-дистиллят, непрерывно подаваемые из емкостей 1, 2 и 3, смешиваются в трубопроводе (рис. 5.22.). Полученная углеводородная фаза охлаждается в теплообменнике 4 и поступает в смеситель фаз 5. Водная фаза, предварительно охлажденная в холодильнике 6, также поступает в смеситель фаз 5. Образующаяся в смесителе эмульсия подается в полимеризатор 7первый аппарат полимеризационной батареи, состоящей из 12 последовательно включенных полимеризаторов 7 - 18.
Процесс полимеризации осуществляется в эмульсии в присутствии компонентов окислительно-восстановительной системы и модификатора молекулярной массы при перемешивании и пониженных температурах (4 - 8°С). Для прекращения процесса вводится прерыватель полимеризации в смеситель 19.
Полученный в результате полимеризации латекс содержит незаполимери- зовавшиеся мономеры (бутадиен и стирол), содержание которых позволяет
судить о конверсии мономеров. Для выделения незаполимеризовавшихся мономеров проводят дегазацию. В колонне 20 происходит удаление основной массы незаполимеризовавшегося бутадиена за счет подачи водяного пара, увлажненного умягченной водой, под небольшим избыточным давлением.
Пары воды и углеводородов поступают из колонны 20 в отбойник 21, где отделяются унесенные капли латекса (для предотвращения забивки конденсаторов в линию паров после отбойника подается ингибитор). Отделенный бутадиен после конденсатора 22 направляется на компримирование и последующую очистку, а конденсат - стиролъная вода - подается на переработку.
Латекс из колонны предварительной дегазации 20 направляется в вакуумную колонну 23, предназначенную для удаления незаполимеризовавшегося бутадиена до остаточного его содержания не более 0,2%. В колонну 23 подается также водяной пар, увлажненный умягченной водой. Пары воды и углеводородов поступают из колонны 23 в отбойник 24 (в линию паров после отбойника также подается ингибитор) и далее в конденсатор 25. Конденсат стирольная вода подается на переработку. Частично дегазированный латекс с остаточным содержанием бутадиена не более 0,2% (масс.) для предотвращения вспенивания подают в противоточную колонну 26, работающую под глубоким вакуумом, создаваемым пароэжекционной установкой.
В линию латекса перед колонной предварительной дегазации 20 и проти-воточной колонной 26 подается эмульсия пеногасителя. Отгонка стирола из латекса в колонне 26 производится с помощью увлажненного водяного пара, подаваемого противотоком потоку латекса.
В дегазированный латекс вводят антиоксидант и направляют его в цех выделения каучука. Пары воды и углеводородов поступают в конденсатор 27. Конденсат - стирольная вода - направляется на совместную переработку с конденсатом из аппаратов 22 и 25.
Дегазированный латекс усредняется и анализируется в емкости 28 цеха выделения каучука и через фильтр 29 подается на коагуляцию. Предварительно латекс в смесителе 30 смешивается с нефтяным пластификатором.
Коагуляцию латекса проводят электролитом водным раствором поваренной соли и разбавленным раствором поваренной соли с рециклом серума. Вместо электролита может быть использована другая коагулирующая добавка. Раствор коагулянта смешивается с латексом в смесителе 31. Полученный в аппарате 31 флокулят направляется в аппарат коагуляции 32, куда подается также циркулирующий серум, подкисленный разбавленной серной кислотой. Пульпа каучука из верхней части коагуляционного аппарата 32 перетекает в дозреватель 33. Отсюда пульпа направляется в концентратор 34. Серум после концентратора 34 поступает в сборник 35, откуда возвращается на коагуляцию в аппараты 31 и 32.
Крошка каучука из концентратора 34 поступает в промывную емкость 36. Из емкости пульпа направляется в концентратор 37, а оттуда - в отжимную машину (экспеллер) 38. Вода из промывной машины и экспеллера сбрасывается в канализацию. После экспеллера каучук поступает в молотковую дробилку 39, откуда пневмотранспортером 40 подается в сушилку 41. Сушка крошки каучука осуществляется в многосекционной воздушной конвейерной сушилке. В процессе сушки каучука циркуляционные вентиляторы осуществляют постоянный рецикл горячего воздуха через калориферы. При этом производится подпитка циркуляционного горячего воздуха свежим, подаваемым из помещения цеха через специальные окна в сушилке. Отработанный воздух из сушилки вытяжными вентиляторами подается в атмосферу или в печи для каталитического окисления примесей углеводородов. Высушенная крошка системой транспортеров 42 подается на брикетировочный пресс 43 и далее в оберточную машину 44. Брикеты каучука, обернутые в полиэтиленовую пленку, поступают в машину 45 для упаковки в бумажные мешки и транспортером передаются на склад.

5.4.1.2. Автоматизация процессов приготовления эмульсии и полимеризации .
Критерием управления процессом полимеризации является степень конверсии мономеров. Постоянства этого параметра является одним из важнейших условий стабильности свойств полимеров. Выполнение этого условия является целью управления процессом полимеризации.
Конверсия определяется чистотой мономеров, составами углеводородной и водной фаз, расходами инициатора, модификатора (регулятора) молекулярной массы, соотношением расходов углеводородной и водной фаз, продолжительностью полимеризации.
Мономеры, используемые для приготовления углеводородной фазы, должны удовлетворять строгим требованиям по содержанию примесей, оказывающих существенное влияние на скорость полимеризации. Устранить многие из перечисленных возмущений при управлении процессом полимеризации невозможно.
Нагрузку всего производства по углеводородной фазе стабилизируют регулятором расхода. Ее состав стабилизируют регулированием соотношения расхода углеводородной фазы и расходов бутадиена и стирола дистиллята.
Соотношение расходов углеводородной и водной фаз, углеводородной фазы и инициатора, эмульсии и модификатора (регулятора) молекулярной массы обеспечивается регуляторами соотношения.
Температура в полимеризаторах автоматически изменяется таким образом, чтобы при наличии возмущений была достигнута цель управления. Для этого предусматривается двухконтурная АСР, в которой основным является регулятор конверсии мономеров, а вспомогательнымирегуляторы температуры (на схеме показан только регулятор температуры последнего полимеризатора). Чтобы исключить влияние колебаний начальной температуры эмульсии на процесс полимеризации, температуру углеводородной фазы после теплообменника 4 стабилизируют.
Расход прерывателя должен определяться количеством неза-полимеризовавшихся мономеров. Это обеспечивается двухконтурной системой, в которой основным является регулятор конверсии мономеров, а вспомогательнымрегулятор расхода прерывателя.
Расход пеногасителя стабилизируют на постоянном значении.
5.4.1.3. Автоматизация процесса дегазации. При управлении процессом дегазации необходимо поддерживать на определенном значении температуру в отгонных колоннах. Стабилизацию температурного режима в колоннах 20 и 26 осуществляют коррекцией работы регулятора соотношения расходов латекса и увлажненного водяного пара, а в колонне 23 - двухконтурной АСР в которой основным является регулятор температуры, а вспомогательным -регулятор расхода увлажненного водяного пара. Кроме того, стабилизируют температуры продуктов после теплообменников 22, 25 и 27 изменением расхода обратного рассола. Расход пеногасителя в колонну 26 стабилизируют.
Расход антиоксиданта должен определяться расходом латекса, что обеспечивается регулятором соотношения этих расходов.
5.4.1.4. Автоматизация процесса коагуляции. При управлении процессом коагуляции поддерживают постоянными нагрузку на коагуляционные аппараты (стабилизирующим регулятором), а также соотношения расхода латекса и расходов коагулянта и пластификатора (регуляторами соотношения).
Расход свежей серной кислоты должен быть таким, чтобы значение рН смеси серной кислоты и возвратного серума было постоянным. Для этого используют двухконтурную АСР, где главным является регулятор рН, а вспомогательным - регулятор расхода. Расходы кислоты в коагуляционные аппараты стабилизируют.
Промывку каучука осуществляют при постоянном расходе воды, подаваемой в емкость 36. Для этого устанавливают стабилизирующий регулятор.
5.4.1.5. Автоматизация процесса сушки. При управлении процессом сушки стабилизируют температуру в сушилке 41 с помощью двухконтурной АСР, в которой главной регулируемой величиной является температура, а вспомогательнойрасход пара к калориферу сушилки.

5.4.2. Автоматизация производства изопренового каучука
5.4.2.1. Технологическая схема производства. Осушенная углеводородная шихта подается на охлаждение в холодильник-испаритель 1, охлаждаемый кипящим пропаном (рис. 5.23). Охлажденная до минус 5 - минус 10 °С шихта поступает в первый по ходу полимеризатор 2, куда также непрерывно дозируется каталитический комплекс.
Процесс полимеризации осуществляют в полимеризационной батарее, состоящей из шести полимеризаторов (2 - 7), в растворе инертного углеводородного растворителя - изопентана - под действием стереоспецифического катализатора при температуре от 45 °С в начале до 60 °С - в конце батареи. В рубашки полимеризаторов подают охлаждающий рассол. Из последнего полимеризатора 7 полимеризат поступает в смеситель 8, куда подают также стоппер для разрушения каталитического комплекса и антиоксидант - для стабилизации каучука.
После стопперирования и заправки антиоксидантом дезактивированный полимеризат поступает в смеситель 9, где смешивается с подкисленной водой. Полученная смесь подается в отмывную колонну 10, где отмывается подкисленной промывной водой, подаваемой противотоком. Отмытый от стоппера и продуктов разрушения каталитического комплекса полимеризат через фильтр 11 поступает на отстой в емкость 12 и далее в усреднитель 13. Вода по уровню раздела фаз поступает на осаждение гидроксидов металлов. Полимеризат из усреднителя 13 поступает на дегазацию через смеситель 14 и крошкообразователь 15. Дегазатор первой ступени 16 имеет две дегазационные секции, а второй ступени 17 - одну дегазационную и одну сепарационную секции.
В смесителе 14 происходит смешение полимеризата с циркуляционной во-дой. Образовавшаяся эмульсия полимеризата из смесителя 14 поступает в крошкообразователь 15, куда подают также водяной пар высокого давления и циркуляционную воду, содержащую антиагломератор.
Крошка каучука после крошкообразователя подается в верхнюю секцию дегазатора 16 и с потоком воды через переливной стакан противотоком парам поступает в его нижнюю секцию. В обеих секциях дегазатора 16 отгоняется основная масса циркулирующего растворителя и незаполимеризовавщегося изопрена. Из второй секции дегазатора 16 пульпа каучука насосом подается в верхнюю (дегазационную) часть дегазатора 17, откуда дросселируется в нижнюю (сепарационную) часть. Отсюда пары вторичного вскипания с помощью эжекторов 18 и 19 подаются в дегазаторы 16, 17. Из сепарационной части дегазатора 17 пульпа крошки каучука откачивается в концентратор 23 отделения сушки и упаковки.
Для предотвращения слипания каучука в процессе дегазации и равномер-ного распределения крошки в воде в циркуляционную воду, подаваемую в крошкообразователь 15, вводят антиагломерат.
Пары воды и углеводородов из дегазатора 16 через гидроциклон 20 поступают в конденсатор 21. Конденсат собирается в емкости отстойнике 22, где разделяется на углеводородный и водный слои. Углеводородный слой (изопентан изопреновая фракция) подается на очистку и азеотропную осушку совместно с потоком свежего изопрена. Водный слой из емкости 22 направляется в смеситель 14, крошкообразователь 15 и гидроциклон 20; избыток воды сбрасывается в канализацию.
Циркуляционная вода из концентратора крошки каучука 23 сбрасывается в емкость 24 и возвращается в рецикл: в смеситель 9, отмывную колонну 10, крошкообразователь 15. Избыток воды также сбрасывается в канализацию.
Из верхней части концентратора 23 крошка каучука сбрасывается в загрузочное устройство отжимной машины (экспеллера) 25. Отжатая вода стекает в канализацию. Из экспеллера крошка каучука, содержащая до 15% влаги, поступает в приемную камеру сушильной машины 26, сжимается в ней за счет сил трения (при давлении до 5,0 МПа) и нагревается до 180230 °С. На выходе из сушильной машины происходит дросселивание перегретого пара от 5,0 до 0,1 МПа. В результате каучук разрывается и рыхлится. Далее каучук в сушильной камере 27 обдувается горячим воздухом для предотвращения реконденсации водяного пара на гранулах каучука, проходит вертикальный виброконвейер 28, поступает в брикетировочный пресс 29, оберточную машину 30 для упаковки в полиэтиленовую пленку и зашивочную машину 31.
5.4.2.2. Автоматизация процесса полимеризации. При управлении процессом полимеризации необходимо получать полимер определенного качества. Наиболее полно качество полимера характеризуется средней молекулярной массой, молекулярно-массовым распределением и вязкостью по Муни.
Качество полимера определяется многими параметрами: содержанием микропримесей в исходной углеводородной шихте, соотношением компонентов каталитического комплекса и его дозировкой по отношению к углеводородной шихте, температурой процесса полимеризации и другими параметрами. Ряд параметров поддерживать на заданном значении не представляется возможным. Поэтому в качестве главной регулируемой величины необходимо взять один из перечисленных параметров, а регулирующее воздействие вносить изменением температуры полимеризации. Для этой цели предусмотрены двухконтурные АСР в которых главным является регулятор качественного показателя, а вспомогательными - регуляторы температуры в полимеризаторах (на схеме показан регулятор только первого в батарее полимеризатора).
Для ликвидации возмущений температурного режима температуру углеводородной шихты стабилизируют регулятором температуры, воздействующим на клапан паров пропана, выводимого из холодильника 1. Уровень жидкого пропана в холодильнике при этом стабилизируется.
Для исключения колебаний нагрузки на полимеризационную батарею расход углеводородной шихты поддерживают на заданном значении; регулятор соотношения расходов углеводородной шихты и каталитического комплекса изменяет расход последнего в зависимости от расхода шихты. Так же изменяются расходы стоппера и антиоксиданта.
Автоматизация процесса отмывки полимеризата. Полноту вывода продуктов разрушения каталитического комплекса поддерживают регулированием подачи подкисленной воды на отмывку в смеситель 9 и отмывную колонну 10. Расход кислоты на подкисление воды регулируют с коррекцией по величине рН подкисленной воды.
Автоматизация процесса дегазации, сушки и упаковки каучука. Расход полимеризата на дегазацию регулируют изменением скорости врашения насоса, откачивающего продукт из усреднителя 13. Расход воды в смеситель 14, а так же пара и циркуляционной воды в крошкообразователь 15 поддерживают вручную в соответсвии с расходом полимеризата. Для стабилизации режима в дегазаторах регулируют уровни в них, давления в сепарационной секции дегазатора 17, расход пара в инжекторы 18 и 19, расход антиагломерата.
В отделении дегазации осуществляется защита от попадания в него углеводородов по уровню в кубе дегазаторов. Давление отжима в экспеллере 25 регулируется автоматически.


13PAGE 15


13PAGE 141515





Приложенные файлы

  • doc 14838632
    Размер файла: 5 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий