КУРС ПРОГРАММЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АРМАТУРНОГО ХОЗЯЙСТВА

– Оптимизация допусков. Нахождение экстремума, максимума – минимума выходной характеристики или параметра технологического процесса. Практические результаты – это получение таких значений предельных отклонений, которые обеспечивают минимальную величину поля рассеяния, определяют коэффициент относительного рассеяния и относительной асимметрии выходной характеристики.

Кроме того, должен быть выбран метод оценки точности. Для предприятий ЦБП, очевидно, наиболее эффективны экспериментальные методы. Из них наиболее эффективен метод регрессий по результатам активного или пассивного экспериментов. В случае установившегося производства может быть обследована выборка качественных показателей достаточно большого объема. Измеряются значения выходных характеристик, входных параметров и внешних возмущений. Затем определяются статистические характеристики, функции плотности вероятности и законы распределения, коэффициенты корреляции между входными параметрами и выходными характеристиками. Далее определяются комплексы показателей для внешних возмущений и их связей между собой и с выходными характеристиками. Зная модели плотности вероятности, можно определить поля рассеяния, верхние, нижние отклонения, коэффициенты относительного рассеяния, коэффициенты относительной асимметрии. Имея набор перечисленных величин, конструируются формулы для расчета точности.

В жизни метод может выглядеть следующим образом. От отдела качества получают статистические данные по процессу. Альтернативно данные можно получить из диаграмм процесса из системы автоматизации. Рассчитываются дисперсии и определяются отклонения. Данные сравниваются с дисперсиями по процессу. Выделяются критические участки процесса, вносящие максимальный вклад в дисперсию. Производится анализ по контурам. На основе анализа принимается решение о замене существующих и внедрении наиболее точных контуров регулирования. Рассчитывается эффективность через ужесточение допусков на процесс, снижение норм расхода и экономическая эффективность в целом.

Все методы в полном объеме реализуются только на компьютере. Построенные при помощи указанных методов обобщенные модели распределения особенно удобны при выполнении автоматического регулирования процессов с меняющимися законами распределения и, очевидно, могут быть вложены в виде дополнительного программного обеспечения в систему автоматизации.

Кроме этого, в ходе выполнения технологического процесса и периодических поднастроек, исходные заданные значения регулирования могут искажаться. В этом случае включение программы (например, NELPROF) в систему автоматического регулирования с постоянным пересчетом клапанов на текущее значение технологического процесса будет четче выдавать общую картину диапазона регулирования и показывать места выхода текущих характеристик за пределы диапазона регулирования клапана. В частности, такие задачи наиболее характерны при частой смене производительности.

Исходные заданные значения регулирования искажаются и из-за расширения погрешностей регулирования и\или из-за износа самого клапана. В качестве примера можно привести последовательность выявления проблемы точности, как в процессе, так и в самом клапане веса м

. Пусть контролируемым параметром будет вес м

рулона. После отладки процесса берется выборка рулонов, и оцениваются результаты измерения веса м

каждого рулонов. Получаем выборку. Спустя заданное время проводим эту процедуру второй раз. Результаты измерений смешиваются, и каждому значению присваивается ранг. Вычисляются суммы рангов для каждой из выборок, определяются значения критерия Уилкоксона и сравниваются со значениями для риска 1-го рода. Выявляется разница. Если она существенна, что это означает, что необходимо вмешаться в процесс, т.к. что-то в распределении веса м

рулонов изменилось, хотя брак еще не появился. Произведя еще вычисления, можно установить, что именно изменилось, в какой из характеристик процесса нарастает опасная тенденция. Ими может быть уровень настройки, о чем можно судить по изменению среднего арифметического, разброс значений, т.е. точность отслеживания веса м

, о чем можно судить по изменению дисперсии.

Для регулирующих клапанов особенно важно, чтобы процесс находился в наиболее эффективной линейной части регулирования. Его можно назвать центром процесса или распределения, и он соответствует традиционно задаваемому диапазону регулирования 50-70%. Регулирование на этом участке будет наиболее свободно от погрешностей и будет ухудшаться с приближением к выходу за его пределы. Это также означает, что в случае ухода от центра процесса (распределения) и приближением к его концам будет появляться дополнительный разброс значений. И это также означает, что необходимо поддерживать настройку клапана и удержание диапазона регулирования в области центра процесса. В случае выхода клапана из зоны эффективного регулирования с максимальной линеаризацией, и работой в диапазоне ниже 40% или более 70%, отклонения в регулируемых параметрах могут иметь критические значения. Расчеты погрешности по левой и правой границе диапазона регулирования дадут точные значения общей погрешности и помогут более точно сформировать требования к точности вблизи этих границ.

Учитывая частые изменения производительности, использование программы NELPROF в режиме он-лайн поможет производству и технологам вовремя увидеть проблемы нарастания погрешности в связи с выходом за нижнюю или верхнюю границу пропускной характеристики. Так, по данным аудита одного из ЦБК, свыше 50% регулирующих клапанов работало при угле открытия ниже 40%, что было главной проблемой накопления ошибок при регулировании. В случае если бы в системе автоматизации была бы установлена программа NELPROF, технологи смогли бы выявить проблему значительно раньше и задать ограничения по процессу или снижению производительности.

Таким образом, уравнения погрешностей или их совокупностей, если затрагиваются несколько выходных характеристик, могут служить расчетным аппаратом при решении задач отстройки системы от нежелательных уровней выходных характеристик, либо задачи доводки последних до необходимой величины.

При моделировании точности необходимо учесть, что особенное влияние на поле рассеяния параметров имеет динамика протекания технологического процесса. Чем выше скорость и производительность, чем меньше устройств сглаживания, резервирования или транспортных звеньев, также способных сглаживать погрешности, тем выше неустойчивость регулирования и колебательность процесса. При этом следует принять во внимание, что смещается как математическое ожидание характеристики под действием систематических факторов (износ, разбалтывание соединений, люфты в клапане, другие возмущающие факторы), так и случайные факторы при поднастройке контура регулирования и самого клапана. Растет дисперсия вследствие действия систематических факторов, например, динамических отклонений и, соответственно, динамической расстройки контура, так и случайных факторов.

Это также означает, что необходим определенный запас точности настройки, как минимум, между двумя ППР, и должна рассчитываться зона безопасного смещения математического ожидания вырабатываемой совокупности и роста ее дисперсии. В этом случае в «алмазной диаграмме» программы FIELDCARE можно предусмотреть две основные части поля рассеяния – большую часть, равную вероятностной сумме случайных погрешностей, и меньшую, – зону безопасного смещения математического ожидания и роста ее дисперсии, или зону запаса точности. Они, как понятно, должны быть меньше поля допуска. В анализе, проводимом специалистами по точности (ИПМАШ) показывается, что при применении, например, унифицированного метода, чем точнее выполняется обработка (точнее работает контур регулирования), тем создается большая возможность увеличения допусков. Этот принцип реализуется только при автоматическом непрерывном регулировании точности. Как уже показывалось выше, автоматический перерасчет клапанов он-лайн и встройка тревожных сигналов в системы автоматизации, может стать первым приемом повышения эффективности качества регулирования.

Если при моделировании используются различные гидравлические или электрофизические аналогии, то появляется возможность определить влияние дополнительных малых параметров на динамику системы. При разработке алгоритмов, они также могут быть включены в систему автоматизации процесса. Такие модели могут быть наиболее полезны при анализе точности сложных технологических схем, состоящих из большого числа узлов, соединенных последовательно или содержащих несколько разветвленных схем из таких последовательных цепочек. Требуется расчет точности контура регулирования каждого элемента и точности взаимного влияния этих контуров, для того, чтобы гарантировать функциональную точность процесса. Кроме того, модели должны учитывать изменение погрешностей во время эксплуатации. Ряд таких работ проводится в КЦ Промконсалт, ВШТЭ, Санкт-Петербург. В результате моделирования одним из первых результатов может быть предсказание того, достигнет ли контур требуемой точности, будут ли сбои, необходимо ли перепроектировать сам контур.

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ ВКЛАДОВ ДЛЯ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ТОЧНОСТИ

Вклад – эта мера влияния данного фактора на тот или иной показатель точности выходной характеристики. По-видимому, этот метод наиболее характерен для расчета погрешностей процессов технологических схем, как уже было продемонстрировано при изучении светлых ослабленных полос на полотне бумаги при помощи приборов компании Feltri Marone. При этом вклады могут быть следующими:

1.      абсолютный вклад фактора, включая и возмущающие, в математическое ожидание или среднее значение;

2.      относительный вклад того же фактора;

3.      относительный вклад свободного члена исходной модели (погрешности линеаризации, моделирования, полноты учета входных параметров);

4.      относительный вклад дисперсии фактора в дисперсию выходной характеристики;

5.      относительный вклад поля рассеяния фактора в поле рассеяния выходной характеристики

6.      относительный вклад совместного влияния двух дисперсий в дисперсию выходной характеристики, поля рассеяния;

7.      относительный вклад отклонения от среднего значения факторов в отклонение от среднего значения выходной характеристики.

Методология рассмотрения точности по методу вкладов позволяет решать следующие задачи:

– ранжирование факторов по степени их влияния на выходные характеристики;

– оценка вклада в линеаризованную область, что позволяет анализировать роль неопознанных, неучтенных факторов и возмущений, а также погрешностей моделирования;

– оценка технических требований к конструкции и процессам, а также их уточнение;

– совершенствование управления технологическим процессом.

Следует отметить, что вклад в среднее значение может быть мал, но в дисперсию может быть доминирующим. Это означает, что при проектировании технологических схем необходимо учитывать все вклады контуров регулирования и в алгоритмах управления производством предусматривать то же самое. Включение в технические требования на клапан только основных показателей, которые оказывают доминирующее влияние на номинальное значение выходной характеристики, как это, к сожалению, наблюдается в практике проектных организаций, может привести к утрате контроля за полем рассеяния факторов, оказывающих на него существенное влияние. Это напрямую ведет к непредсказуемому колебанию уровня доли качественного выполнения процесса, что наблюдается в целлюлозно-бумажном производстве.

АНАЛИЗ КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ И РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ С УЧЕТОМ ФАКТОРА ВРЕМЕНИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ

При проектировании должны учитываться, как период эксплуатации, так и изменение ремонтных размеров, для чего необходимо устанавливать связь качества изготовления и сборки клапана с последующим качеством работы его при эксплуатации. Для этих целей задаются функциональные параметры, эксплуатационные показатели и связь между ними. Пределы изменения эксплуатационного показателя, например, гистерезиса, определяется допусками изготовления деталей. При эксплуатации параметры клапана изменяются из-за износа или возмущений и величину параметра через время эксплуатации можно записать уравнениями, где должна быть добавлена скорость изменения параметра. Методологически это делается при помощи использования данных трендов с «Алмазной диаграммы» программы FIELD CARE компании Метсо Автоматизация или программно-диагностических комплексов других компаний.

Расчет или аппроксимация данных, расчет уравнений регрессии процесса падения точности позволяет задавать категории допусков, принимать определенные показатели дисперсий, назначать допуска на входные и функциональные параметры, определять средний срок службы.

Проведенный обзор показывает, как внимательное отношение к контурам регулирования с точки зрения не только автоматизации процесса, но и повышения их точности и связи с технологией позволят добиваться более существенного роста качества технологического процесса. Шагами к этому является знание технологии, анализ технологических схем на предмет точности регулирования и знание особенностей поведения клапана с целью устранения колебательности процесса.

2.4. Программа "Арматура для критических узлов и контуров регулирования"

ПРОГРАММА "РАСЧЕТ КРИТИЧЕСКИХ КОНТУРОВ И УЧАСТКОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ"

1.      Критические контуры регулирования. Определение.

Критический контур регулирования – это контур, в котором небольшое изменение входных параметров приводит к недопустимо большому колебанию выходных параметров, которые не могут с достаточной степенью точности и в допустимых пределах устранены контуром регулирования, в основном из-за недостаточной точности регулирующего органа и исполнительных механизмов. Примеры. Наиболее часто – это контуры концентрации и разбавления, однако могут быть и другие контуры. Так, например, сгущение представляет собой с точки зрения контуров регулирования сложную динамическую взаимосвязь нескольких качественно различных контуров. Но в результате сгущения технологически могут быть утеряно качество массы, достигнутое на предыдущих ступенях технологического процесса, например, фракционированной массы. Это равносильно тому, как если все слить в один бак. Для получения того же качества среды после такого сгущения придется практически заново проводить регулирование.

2.      Классификация критических контуров регулирования

2.1.      по выполняемой функции

2.1.1.      Контуры регулирования концентрации. Контуры регулирования концентрации являются, наверное, наиболее главными контурами в технологических процессах ЦБП. С приближением к напорному ящику, степень точности отработки заданий системы автоматизации должна повышаться. Вершиной является клапан веса м

, который должен обеспечивать максимальную точность регулирования.

2.1.2.      Контуры разбавления. С контурами регулирования концентрации тесно связаны контуры разбавления, которые зачастую являются составной частью контура регулирования концентрации. Если входящим параметром является также масса с очень низкой концентрацией, то такой клапан разбавления будет иметь значительно более высокий уровень критичности по сравнению с обычным из-за резкого (неадекватного) роста расхода при минимальных изменениях концентрации. Часто контуры разбавления являются чисто технологическими, например, после сгустительных бассейнов, промывателей, но, в то же время, степень их важности и критичности будет определяться степенью воздействия на показатели концентрации.

2.1.3.      Контуры поддержания расхода и давления. Эти контуры в максимальной степени связаны с параметрами самого клапана, поскольку сам современный принцип регулирования поворотными клапанами основан на взаимосвязи расхода и давления. В наибольшей степени их роль проявляется там, где необходимо поддерживать точные дифференциалы давления. Эти контуры характерны для напорных сортировок, вихревых очистителей, насосов и других элементов, где дифференциал давления на входе и выходе, а также степень сложности взаимосвязи между ними является одним из важнейших технологических параметров.

2.1.4.      Контуры поддержания технологических параметров (температуры, рН, уровня и др.). Эти контуры являются важными для той части технологического процесса, где он в наибольшей степени зависит от них. Так, уровень в технологических емкостях может повлиять на весь процесс в целом, т.к. при резком его изменении они задают пульсацию давления по всей технологической цепочке и такую пульсацию трудно будет устранить самыми совершенными средствами регулирования. Известны случаи, когда резкий отбор воды для разбавления из технологической емкости, работающей, как на контур разбавления клапана веса м

, так и на другие ветки технологического оборудования приводил к неустранимым колебаниям веса м

. Контроль уровня может быть наиболее важен для контуров регулирования в гидроразбивателе, поскольку от него зависит, как степень концентрации массы уже на начальном этапе, так и скорость и эффективность разволокнения массы. Контуры регулирования температуры являются важными с точки зрения регулирования технологического процесса, зачастую являются частью более сложного контура регулирования. Так, при регулировании сушки, температура является непрямым параметром, и регулирование осуществляется за счет физической зависимости давления пара и его температуры или расхода. В контурах регулирования массы контур температуры в основном связан с контуром расхода или давления, обеспечивающими выполнение установленного сигнала по температуре.

2.2.      по сложности технологического процесса. Конкретное формирование контуров регулирования связано с особенностью вписывания в технологический процесс. Условно можно разделить основной процесс бумагоделательного производства на массоподготовительное отделение и бумагоделательное производство.