Курс «Регулирующая арматура в системах автоматизации»

– Устранение мешалок в больших баках с переходом к статическим смесителям типа Lobe Mix.

– Переход от медленно и периодически работающих отстойников к непрерывно работающим флотоловушкам.

– Переход от удаления отходов при помощи двух периодически работающих шиберных заслонок в вихревом очистителе к клапану, работающему с высокой цикличностью типа Покет Фидер.

– Переход от инерционных ПИД-регуляторов к контурам регулирования с прогнозирующими механизмами по примеру клапана NelesACE.

– Задание дискретности времени импульса в полевых шинах Profibus выше длительности возмущающего воздействия сигнала.

– Снижение мертвой зоны в клапанах для медленно протекающих процессов и снижение гистерезиса для быстро протекающих процессов.

– Давление со стороны экологии заставляет вводить в схемы дополнительные элементы. Так, загрязнение внешней среды избегают установкой флотационных ловушек. При этом их использование в большой степени начинает применяться и по ступеням технологического процесса для внутренней очистки и «доработки» массы. В узлах очистки электрофильтры стали неотъемлемой частью очистки газов. Загрязнение или отравление циркуляционных участков приводит к необходимости специального подхода к подбору регулирующих клапанов на этих участках.

Требование снизить издержки вносит также свой вклад в изменение технологических схем. Использование вторичного тепла приводит к замыканию водооборота с подогретой водой, например, замыкание подсеточной и осветленной воды на подпитку, разбавление или гидроразбиватель.

1.1. Развитие технологических схем картоно и бумагоделательных машин

Стадия 1

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

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

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

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

Стадия 2

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

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

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

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

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

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

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

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

Усовершенствования происходили по следующей схеме:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Стадия 3

Для повышения скорости машин свыше 600м\мин необходимо было решить ряд взаимосвязанных задач. Наибольшее влияние на развитие контуров регулирования оказали задачи улучшения подачи бумажной массы на сетку, т.н. «мокрый конец» и интенсификация сушки полотна. В это время появляется более надежный клапан регулирования веса м

с тонким пошаговым регулированием вместо обычных клапанов, применяемых в измерительных контурах регулирования. Количество шагов регулирования начало достигать 3000 (3). Стабильно достижимое регулирование стало возможным при скорости до 900м\мин.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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