Несмотря не огромное разнообразие технологических процессов химической промышленности, все они состоят из отдельных технологических операций, каждую из которых можно, как сказано выше, отнести к одной из следующих групп типовых процессов: механические, гидродинамические, тепловые, массообменные, химические (реакторные), термодинамические. В основе процессов каждой группы лежат общие физико-химические закономерности, что предопределяет значительное сходство их свойств как объектов автоматизаци.
Благодаря этому оказывается возможной разработка типовых схем автоматизации для объектов каждой группы. Однако, одного технологического признака недостаточно для типизации объектов автоматизации, т.к. процессы одной группы могут иметь различное аппаратурное оформление (например, сушка в барабанной сушилке или в сушилке с кипящим слоем) и, как объекты автоматизации, существенно различаться по своим свойствам. Следовательно, только сочетание двух признаков - типа технологического процесса и типа аппарата, в котором этот процесс осуществляется, полностью определяет типовой объект автоматического регулирования в химическом производстве.
Для каждого типового объекта можно разработать один или несколько вариантов систем автоматизации.
АСР расхода . Чаще всего возникает задача регулирования расхода газа, жидкости или пара, транспортируемого по трубопроводу. Регулирование расхода в такой системе производится путем дросселирования потока, которое зависит от степени открытия регулирующего клапана (см. рисунок 7.2):
Рисунок 7.2 - Простейшая АСР расхода
Объектом регулирования фактически является участок трубопровода между датчиком расхода и регулирующим клапаном, который можно считать безынерционным усилительным звеном. Следовательно, динамическая характеристика заданной части АСР определяется только динамическими свойствами датчика расхода и регулирующего органа. Для поддержания заданной величины расхода без остаточного отклонения в АСР расхода обычно применяются ПИ-регуляторы.
В системах регулирования расхода применяют один из трех способов изменения расхода:
- дросселирование потока вещества через регулирующий орган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, заслонка);
Изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии (например, изменением числа оборотов двигателя насоса или угла поворота лопастей вентилятора);
- байпасирование , т е. перерос избытка вещества из основного трубопровода в обводную линию.
Регулирование расхода после центробежного насоса осуществляется регулирующим клапаном, устанавливаемым на нагнетательном трубопроводе (рисунок 7.3, а). При использовании поршневого насоса, применение подобной АСР недопустимо, так как при работе регулятора клапан может закрыться полностью, что приведет к разрыву трубопровода (или к помпажу, если клапан установлен на всасе насоса). В этом случае для регулирования расхода используют байпасирование потока (Рисунок 7.3, б).
1 - измеритель расхода; 2 - регулирующий клапан; 3 - регулятор; 4 - насос.
Рисунок 7.3 - Схемы регулирования расхода после центробежного (а) и поршневого (б) насосов.
Регулирование расхода методом дросселирования потока в байпасном трубопроводе. При использовании поршневых насосов регулирующие органы нельзя устанавливать на напорном трубопроводе, т.к. изменение степени открытия такого органа приводит лишь к изменению давления в нагнетательной линии, расход же остается постоянным. Полное закрытие регулирующего органа может привести к поломке насоса. В таком случае регулирующий орган устанавливается на байпасной линии, соединяющей всасывающий и нагнетательный трубопроводы (рисунок 7.3, 6).
Недостатком данного способа регулирования является низкая экономичность. Более экономичным является метод регулирования изменением показателей работы насоса: числа оборотов вала, хода поршня, угла наклона лопастей.
Число оборотов вала можно изменить:
1. Переключением обмотки статора на различное число пар полюсов,
2. Введением реостата в цепь ротора двигателя,
3. Изменением частоты питающего тока,
4. Применяя регулируемые муфты скольжения между насосом и асинхронным двигателем.
Регулирование расхода сыпучих веществ осуществляется изменением степени открытия регулирующей заслонки на выходе из бункера (рис 7.4, а), либо изменением скорости движения ленты транспортера. Измерителем расхода при таком варианте служит взвешивающее устройство, которое определяет массу материала на ленте транспортера (рис 7.4, б).
1 - бункер. 2 - транспортер; 3 - регулятор; 4 - регулирующая заслонка; 5 - электродвигатель
Рисунок 7.4. Схемы регулирования расходов сыпучих веществ:
Регулирование соотношения расходов двух веществ можно осуществлять тремя спосо-бами:
При незаданной общей производительности расход одного вещества (рисунок 7.5, а) G1, называемый «ведущим», может меняться произвольно; второе вещество подается при постоянном соотношении γ с первым, так что «ведомый» расход равен JG1. Иногда вместо регулятора соотношения используют реле соотношения и обычный регулятор для одной переменной (рисунок 7.5, б). Выходной сигнал реле 6, устанавливающего задан-ный коэффициент соотношения γ, подается в виде задания регулятору 5, обеспечиваю-щему поддержание «ведомого» расхода.
При заданном «ведущем» расходе кроме АСР соотношения применяют и АСР «веду-щего» расхода (рисунок 7.5, в). При такой схеме в случае изменения задания по расходу G1 автоматически изменится и расход G2 (в заданном соотношении с G1).
При заданной общей нагрузке и коррекции коэффициента по третьему параметру. АСР соотношения расходов является внутренним контуром в каскадной системе регулиро-вания третьего технологического параметра (например, температуры в аппарате). При этом заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в за-висимости от этого параметра, так что G2 = JfyJG1 (рисунок 7.5, г). Особенность настройки каскадных АСР состоит в том, что на задание внутреннему регулятору устанавливают ограничение хрн < хр < хрв. Для АСР соотношения расходов это соответствует ограниче-нию ун < γ < ув. Если выходной сигнал внешнего регулятора выходит за пределы [хрн,хрв], то задание регулятору соотношения остается на предельно допустимом значе-нии γ (т. е. Ji1 или J6).
1, 2 - измерители расхода, 3 - регулятор соотношения, 4, 7 - регулирующие клапаны; 5 - регулятор расхода, 6 - реле соотношения, 8 - регулятор температуры, 9 - устройство ограничения.
Рисунок 7.5. Схемы регулирования соотношения расходов.
Смешение жидкостей. При разработке типового решения под объектом управления будем понимать емкость с механической мешалкой, в которой смешиваются две жидкости. Цель управления - получение жидкости (смеси) с определенной концентрацией какого-либо компонента. Расходы жидкостей А и Б и их концентрации могут изменяться при нарушении технологического режима предыдущих процессов. Расход смеси определяется последующим технологическим процессом.
Требуется при проведении процесса смешения:
1. Поддерживать материальный баланс смесителя,т.е. F А + F Б = F смеси.
2. Поддерживать постоянной концентрацию смеси, т.е Q смеси = const.
Для поддержания материального баланса следует в качестве регулируемой величины выбрать уровень смеси в баке. Постоянство уровня достигается изменением расхода F Б. Постоянство концентрации Q смеси может быть при этом обеспечено изменением расхода F А (рисунок 7.6)
Рисунок 7.6 - Пример АСР уровня
Если расход жидкости Б сильно изменяется при регулировании уровня, для улучшения качества регулирования концентрации следует использовать регулятор соотношения расходов жидкостей с коррекцией по концентрации. Этот регулятор способствует уменьшению возмущений по концентрации, поступающих при первоначальном изменении расхода жидкости. При поступлении других возмущающих воздействий, например, с изменением концентрации компонентов в жидкостях, изменится задание соотношения расходов (рисунок 7.7).
Рисунок 7.7 - Пример АСР соотношения уровней
Регулирование процесса перемешивания в трубопроводе. Если процесс перемешивания производится непосредственно в трубопроводе, то отпадает необходимость в узле стабилизации уровня, достаточно установить регулятор концентрации компонента в смеси или регулятор соотношения расходов (с коррекцией или без коррекции, рисунок 7.8).
Рисунок 7.8 - Регулирование процесса перемешивания в трубопроводе
АСР уровня . Уровень является косвенным показателем гидродинамического равновесия в аппарате. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального баланса, когда приток жидкости равен стоку, и скорость изменения уровня равна нулю.
В общем случае изменение уровня описывается уравнением вида:
где S - площадь горизонтального (свободного) сечения аппарата; G ex , G eыx - расходы жидкости на входе в аппарат и выходе из него; G o6 - количество жидкости, образующейся (или расходуемой) в аппарате в единицу времени. В зависимости от требуемой точности поддержания уровня применяют один из следующих двух способов регулирования:
В зависимости от требуемой точности поддержания уровня применяют один из следующих двух способов регулирования:
Позиционное регулирование, при котором уровень в аппарате поддерживается в заданных, достаточно широких пределах: Lfs < L < L^ Такие системы регулирования устанавливают на сборниках жидкости или промежуточных емкостях (рисунок 7.9). При достижении предельного значения уровня происходит автоматическое переключение потока на запасную емкость;
Непрерывное регулирование, при котором обеспечивается стабилизация уровня на заданном значении, т. е. L = L .
1 - насос; 2 - аппарат; 3 - сигнализатор уровня; 4 - регулятор уровня; 5,6 - регулирующие клапаны.
Рисунок 7.9 - Схема позиционного регулирования уровня
Особенно высокие требования предъявляются к точности регулирования уровня в теплообменных аппаратах, в которых уровень жидкости существенно влияет на тепловые процессы. Например, в паровых теплообменниках уровень конденсата определяет фактическую поверхность теплообмена. В таких АСР для регулирования уровня без статической погрешности применяют ПИ-регуляторы . П-регуляторы используют лишь в тех случаях, когда не требуется высокое качество регулирования и возмущения в системе не имеют постоянной составляющей, которая может привести к накоплению статической погрешности.
При отсутствии фазовых превращений в аппарате уровень в нем регулируют одним из трех способов:
Изменением расхода жидкости на входе в аппарат (регулирование «на притоке», рисунок 7.10, а);
Изменением расхода жидкости на выходе из аппарата (регулирование «на стоке», рисунок 7.10, б);
Регулированием соотношения расходов жидкости на входе в аппарат и выходе из него с коррекцией по уровню (каскадная АСР, Рисунок 7.10, в); отключение корректирующего контура может привести к накоплению ошибки при регулировании уровня, так как вследствие неизбежных погрешностей в настройке регулятора соотношения расходы жидкости на входе и выходе аппарата не будут точно равны друг другу, и вследствие интегрирующих свойств объекта, уровень в аппарате будет непрерывно нарастать (или убывать).
а - регулирование «на притоке»; б - регулирование «на стоке», в - каскадная АСР (1 - регулятор уровня, 2 - регули-рующий клапан, 3, 4 - измерители расхода, 5 - регулятор соотношения).
Рисунок 7.10 - Схемы непрерывного регулирования уровня:
1 - испаритель; 2 - регулятор уров-ня, 3 - регулирующий клапан
Рисунок 7.11 - Схема регулирова-ния уровня в испарителе
В случае, когда гидродинамические процессы в аппарате сопровождаются фазовыми превращениями, можно регулировать уровень изменением подачи теплоносителя (или хладагента). В таких аппаратах уровень взаимосвязан с другими параметрами (например, давлением), поэтому выбор способа регулирования уровня в каждом конкретном случае должен выполняться с учетом остальных контуров регулирования. Особое место в системах регулирования уровня занимают АСР уровня в аппаратах с кипящим (псевдосжиженным) слоем зернистого материала (рисунок 7.12).
Устойчивое поддержание уровня кипящего слоя возможно в достаточно узких пределах соотношения расхода газа и массы слоя. При значительных колебаниях расхода газа (или расхода зернистого материала) наступает режим уноса слоя или его оседания. Поэтому к точности регулирования уровня кипящего слоя предъявляют особо высокие требования. В качестве регулирующих воздействий используют расход зернистого материала на входе или выходе аппарата (рисунок 7.12, а) или расход газа на ожижение слоя (рисунок 7.12, б).
а - отводом зернистого материала, 6 - изменением расхода газа (1 - аппарат с кипящим слоем, 2 - регулятор уровня, 3 - регулирующий орган).
Рисунок 7.12 - Регулирование уровня кипящего слоя:
АСР давления. Давление является показателем соотношения расходов газовой фазы на входе в аппарат и выходе из него. Постоянство давления свидетельствует о соблюдении материального балан-са по газовой фазе. Обычно давление (или разрежение) в технологической установке стабили-зируют в каком-либо одном аппарате, а по всей системе оно устанавливается в соответствии с гидравлическим сопротивлением линии и аппаратов. Например, в многокорпусной выпарной установке (см. рисунок 7.13, а) стабилизируют разрежение в последнем выпарном аппарате. В ос-тальных аппаратах при отсутствии возмущений устанавливается разрежение, которое опреде-ляется из условий материального и теплового балансов с учетом гидравлического сопротив-ления технологической линии.
В тех случаях, когда давление существенно влияет на кинетику процесса (например, в процессе ректификации), предусматривается система стабилизации давления в отдельных ап-паратах (рисунок 7.13, б). Кроме того, при регулировании процесса бинарной ректификации часто в качестве косвенного показателя состава смеси используют ее температуру кипения, которая однозначно связана с составом лишь при постоянном давлении. Поэтому в продуктовых рек-тификационных колоннах обычно предусматривают специальные системы стабилизации дав-ления.
1 ,2 - выпарные аппараты; 3 - барометрический конденсатор; 4 - регулятор разрежения;
5 - регулирующий клапан.
Рисунок 7.13а - Регулирование разряжения в многокорпусной выпарной установке
1 - колонна; 2 - дефлегматор; 3 - флегмовая ёмкость; 4 - регулятор давления;
5 - регулирующий клапан
Рисунок 7.13Б - АСР давления в ректификационной колонне
Регулирование разряже-ния в многокорпусной выпарной установке. В данной систе-ме регулирующим воздействием является расход охлаждающей воды в барометрический конден-сатор, который влияет на ско-рость конденсации вторичного пара.
Регулирования перепада давления. В таких аппаратах ре-гулируется перепад давления, характеризующий гидродинамический режим, который влияет на протекание процесса (рисунок 7.14).
а - в колонном аппарате с насадкой; б - в аппарате с кипящем слоем (1 - аппарат; 2 - регулятор перепада давления; 3 - регулирующий клапан).
Рисунок 7.14 - Схема регулирования перепада давления
В целом АСР давления жидкости, газа или пара, транспортируемого по трубопроводу имеет много общего с АСР расхода, т.к. объекты регулирования обладают одинаковыми свойствами. Иногда для регулирования давления в трубопроводах пара или сжатого воздуха применяют П-регуляторы прямого действия.
При отсутствии резких и значительных по амплитуде возмущений они обеспечивают хорошее качество регулирования благодаря минимальной инерционности контура регулирования.
АСР Регулирование температуры. Температура является показателем термодинамического состояния системы и исполь-зуется как выходная координата при регулировании тепловых процессов. Динамические ха-рактеристики объектов в системах регулирования температуры зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата. Поэтому общие рекомендации по выбору АСР температуры сформулировать невозможно, и требуется анализ каждого конкретного процесса.
К общим особенностям АСР температуры можно отнести значительную инерционность тепловых процессов и промышленных датчиков температуры. Поэтому одна из основных за-дач при проектировании АСР температуры - уменьшение инерционности датчиков.
Рассмотрим, например, динамические характеристики термометра в защитном чехле (рисунок 7.15).
1 - защитный чехол; 2 - воздушная прослойка; 3 - стенка термометра; 4 - рабочая жидкость.
Рисунок 7.15. Принципиальная (а) и структурная (б) схемы термометра
Структурную схему термометра можно представить как последовательное соединение четы-рех тепловых емкостей (рисунок 7.15, б): защитного чехла 1, воздушной прослойки 2, стенки тер-мометра 3 и собственно рабочей жидкости 4. Если пренебречь тепловым сопротивлением ка-ждого слоя, то все элементы можно аппроксимировать апериодическими звеньями 1-го поряд-ка, уравнения которых имеют вид:
M j - масса соответственно чехла, воздушной прослойки, стенки и жидкости; c pj - удельные теплоемкости; α j1 , α j2 - коэффициенты теплоотдачи; Fj1, Fj2 - поверхности теплоотдачи.
Как видно из последнего уравнений, основными направлениями уменьшения инерционности датчиков температуры являются:
Повышение коэффициентов теплоотдачи от среды к чехлу в результате правильного выбора места установки датчика; при этом скорость движения среды должна быть максимальной; при прочих равных условиях более предпочтительна установка термометров в жидкой фазе (по сравнению с газообразной), в конденсирующемся паре (по сравнению с конденсатом) и т. п.;
Уменьшение теплового сопротивления и тепловой емкости защитного чехла в результате выбора его материала и толщины;
Уменьшение постоянной времени воздушной прослойки за счет применения наполнителей (жидкость, металлическая стружка); у термоэлектрических преобразователей (термопар) рабочий спай припаивается к защитному чехлу;
Выбор типа первичного преобразователя; например, при выборе термометра сопротивления, термопары или манометрического термометра необходимо учитывать, что наименьшей инерционностью обладает термопара в малоинерционном исполнении, наибольшей - манометрический термометр.
АСР числа рН . Системы регулирования рН можно подразделить на два типа, в зависимости от требуемой точности регулирования. Если скорость изменения рН невелика, а допустимые пределы ее колебаний достаточно широки, применяют позиционные системы регулирования, поддерживающие рН в заданных пределах: рНн ≤ рН ≤ рНв. Ко второму типу относятся системы, обеспечивающие регулирование процессов, в которых требуется точное поддержание pH на заданном значении (например, в процессах нейтрализации). Для их регулирования используют непрерывные ПИ- или ПИД-регуляторы.
Общей особенностью объектов при регулировании рН является нелинейность их статических характеристик, связанная с нелинейной зависимостью рН от расходов реагентов. на рисунке 7.16 показана кривая титрования, характеризующая зависимость рН от расхода кислоты G 1 . Для различных заданных значений рН на этой кривой можно выделить три характерных участка: первый (средний), относящийся к почти нейтральным средам, близок к линейному и характеризуется очень большим коэффициентом усиления; второй и третий участки, относящиеся к сильно щелочным или кислым средам, обладают наибольшей кривизной.
На первом участке объект по своей статической характеристике приближается к релейному элементу. Практически это означает, что при расчете линейной АСР коэффициент усиления регулятора настолько мал, что выходит за пределы рабочих настроек промышленных регуляторов. Так как собственно реакция нейтрализации проходит практически мгновенно, динамические характеристики аппаратов определяются процессом смешения и в аппаратах с перемешивающими устройствами достаточно точно описываются дифференциальными уравнениями 1-го порядка с запаздыванием. При этом, чем меньше постоянная времени аппарата, тем сложнее обеспечить устойчивое регулирование процесса, так как начинают сказываться инерционность приборов и регулятора и запаздывание в импульсных линиях.
Рисунок 7.16 - Зависимость величины рН от расхода реагента
Для обеспечения устойчивого регулирования рН применяют специальные системы. на рисунке 7.17, а показан пример системы регулирования рН с двумя регулирующими клапанами.
а - функциональная схема; б - статические характеристики клапанов (1, 2 - регулирующий клапан3 - регулятор рН).
Рисунок 7.17 - Пример системы регулирования рН
Клапан 1, обладающий большим условным диаметром, служит для грубого регулирования расхода и настроен на максимальный диапазон изменения выходного сигнала регулятора [х рн,х рв ] (Рисунок 7.17, б, кривая 1). Клапан 2, служащий для точного регулирования, рассчитан на меньшую пропускную способность и настроен таким образом, что при х р = х 0 р + Δ он полностью открыт, а при х р = х 0 р - Δ - полностью закрыт (кривая 2). Таким образом, при незначительном отклонении рН от рН 0 , когда х 0 р - Δ < х р < х 0 р + Δ, степень открытия клапана 1 практически не изменяется, и регулирование ведется клапаном 2. Если |х р - х 0 р |, клапан 2 остается в крайнем положении, и регулирование осуществляется клапаном 1.
На втором и третьем участках статической характеристики (Рисунок 3.12, б) ее линейная аппроксимация справедлива лишь в очень узком диапазоне изменения рН, и в реальных условиях ошибка регулирования за счет линеаризации может оказаться недопустимо большой. В этом случае более точные результаты дает кусочно-линейная аппроксимация (рисунок 7.18), при которой линеаризованный объект имеет переменный коэффициент усиления.
Рисунок 7.18 - Кусочно-линейная аппроксимация статической характеристики объекта при регулировании рН
На рисунке 7.19 приведена структурная схема такой АСР. В зависимости от рассогласования рН, включается в работу один из регуляторов, настроенный на соответствующий коэффициент усиления объекта.
Рисунок 7.19 - Структурная схема системы регулирования рН с двумя регуляторами.
АСР параметров состава и качества. В процессах химической технологии большую роль играет точное поддержание качественных параметров продуктов (концентрация определенного вещества в потоке и т.п.). Эти параметры сложно измерить. В некоторых случаях для измерения состава используют хроматографы, которые выдают результаты измерения в дискретные моменты времени (по продолжительности цикла работы хроматографа).
Дискретность измерения может привести к значительным дополнительным запаздываниям и снижению динамической точности регулирования. Чтобы уменьшить нежелательное влияние задержки измерения, используют модель связи качества продукта с переменными, которые измеряют непрерывно. Эта модель может быть достаточно простой; коэффициенты модели уточняют, сравнивая рассчитанное по ней и найденное в результате очередного анализа значение качественного параметра.
Таким образом, одним из рациональных способов регулирования качества является регулирование по косвенному вычисляемому показателю с уточнением алгоритма его расчета поданным прямых анализов. В промежутках между измерениями показатель качества продукта может быть рассчитан экстраполяцией ранее измеренных значений. Блок-схема системы регулирования параметра качества продукта показана на рисунке 7.20. Вычислительное устройство в общем случае непрерывно рассчитывает оценку показателя качества ~ (t) по формуле:
в которой первое слагаемое отражает зависимость от непрерывно измеряемых переменных процесса или величин, динамически с ними связанных, например производных, а второе - от выхода экстраполирующего фильтра.
Для повышения точности регулирования состава и качества применяют приборы с устройством автоматической калибровки. В этом случае система управления производит периодическую калибровку анализаторов состава, корректируя их характеристики.
1 - объект; 2 -анализатор качества; 3 - вычислительное устройство; 4 - регулятор
Рисунок 7.20 -. Блок-схема АСР параметра качества продукта:
В качестве примера рассмотрим процесс принятия решений при автоматизации одного из распространенных типовых процессов.
Автоматизация процесса перемешивания. Общая характеристика процессов перемешивания в жидких средах. Перемешивание - гидромеханический процесс взаимного перемещения частиц в жидкой среде с целью их равномерного распределения во всем объеме под действием импульса, передаваемого среде мешалкой, струей жидкости или газа.
Общая задача управления ТП - это минимизация (максимизация) некоторого критерия (себестоимость, затраты энергии и т. д.) при выполнении ограничений на технологические параметры, накладываемых регламентом.
Поскольку решение этой задачи для всего процесса в целом затруднительно (много влияющих факторов), весь ТП следует разбить на отдельные участки, причем обычно участок соответствует законченной технологической операции, имеющей свою подзадачу (приготовление корма, обработка молока и т. д.).
Для отдельного ТП критерий оптимальности установить проще. Это может быть требование стабилизации параметра или несложно вычисляемого критерия. На основании принятого критерия оптимальности для отдельного ТП легко формулируется задача автоматизации. Кроме критерия оптимальности для решения этой задачи необходим анализ объекта автоматизации с точки зрения выявления всех существенных входных и выходных переменных, а также анализ статических и динамических характеристик каналов передачи возмущающих и управляющих воздействий.
Рис. 2.3. Схемы регулирования расхода: а - жидких и газообразных сред; б- сыпучих материалов; в - соотношения сред
Технологические процессы одного типа (например, процессы нагрева) могут отличаться исполнением аппаратуры, физико-химическими свойствами участвующих в них потоков сырья и т.д. Однако все они протекают по одним и тем же законам и подчиняются общим закономерностям. Характер этих закономерностей в первую очередь определяется тем, какой параметр участвует в управлении. Для одного класса процессов, протекающих в типовой технологической системе, может быть разработано типовое решение по автоматизации, являющееся приемлемым для широкого круга систем. Наличие типового решения значительно упрощает задачу построения АСУ.
К числу типовых технологических параметров, подлежащих контролю и регулированию, относят расход, уровень, давление, температуру и ряд показателей качества.
Регулирование расхода. Системы регулирования расхода характеризуются малой инерционностью и частой пульсацией параметра.
Обычно управление расходом - это дросселирование потока вещества с помощью клапана или шибера; изменение напора в трубопроводе за счет изменения частоты вращения привода насоса или степени байпасирования (отведения части потока через дополнительные каналы).
Принципы реализации регуляторов расхода жидких и газообразных сред показаны на рисунке 2.3, а , сыпучих материалов - на рисунке 2.3, б.
В практике автоматизации ТП встречаются случаи, когда требуется стабилизация соотношения расходов двух или более сред.
В схеме, показанной на рисунке 2.3, в, поток G 1 - ведущий, а поток - ведомый, где у - коэффициент соотношения расходов, который устанавливают в процессе статической настройки регулятора.
При изменении ведущего потока G 1 регулятор FF пропорционально изменяет ведомый поток G 2 .
Выбор закона регулирования зависит от требуемого качества стабилизации параметра.
Регулирование уровня. Системы регулирования уровня имеют те же особенности, что и системы регулирования расхода. В общем случае поведение уровня описывается дифференциальным уравнением
|
где S -площадь горизонтального сечения емкости; L - уровень; С вх, G вых - расход среды на входе и выходе; С обр - количество среды, увеличивающейся или уменьшающейся в емкости (может быть равно 0) в единицу времени t .
Постоянство уровня свидетельствует о равенстве количеств подаваемой и расходуемой жидкости. Это условие может быть обеспечено воздействием на подачу (рис. 2.4, а) или расход (рис. 2.4, б) жидкости. В варианте регулятора, показанном на рисунке 2.4, в, используют для стабилизации параметра результаты измерений подачи и расхода жидкости. Импульс по уровню жидкости - корректирующий, он исключает накопление ошибки вследствие неизбежных погрешностей, возникающих при изменении подачи и расхода. Выбор закона регулирования также зависит от требуемого качества стабилизации параметра. При этом возможно использование не только пропорциональных, но также и позиционных регуляторов.
Регулирование давления. Постоянство давления, как и постоянство уровня, свидетельствует о материальном балансе объекта.
|
где V- объем аппарата; р - давление.
Рис. 2.4. Схемы систем регулирования уровня:
а -с воздействием на подачу; б и в - с воздействием на расход среды
Аналогичность уравнений (2.1) и (2.2) свидетельствует о том, что способы регулирования давления аналогичны способам регулирования уровня.
Регулирование температуры. Температура - показатель термодинамического состояния системы. Динамические характеристики системы регулирования температуры зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата. Особенность такой системы - значительная инерционность объекта и нередко измерительного преобразователя.
Принципы реализации регуляторов температуры аналогичны принципам реализации регуляторов уровня (рис. 2.4) с учетом управления расходом энергии в объекте.
Выбор закона регулирования зависит от инерционности объекта: чем она больше, тем закон регулирования сложнее. Постоянная времени измерительного преобразователя может быть снижена за счет увеличения скорости движения теплоносителя, уменьшения толщины стенок защитного чехла (гильзы) и т. д.
Рис. 2.5. Схема системы регулирования качества продукта:
1 - объект; 2 - анализатор качества; 3 - экстраполяционный фильтр; 4 - вычислительное устройство; 5 - регулятор
Регулирование параметров состава и качества продукта. При регулировании состава или качества продукта возможна ситуация, когда параметр (например, влажность зерна) измеряют дискретно. В этой ситуации неизбежны потеря информации и снижение точности динамического процесса регулирования. Рекомендуемая схема регулятора, стабилизирующего некоторый промежуточный параметр У(t), значение которого зависит от основного регулируемого параметра - показателя качества продукта У(t ), показана на рисунке 2.5. Вычислительное устройство 4, используя математическую модель связи между параметрами У(t) и У(t 1) непрерывно оценивает показатель качества. Экстраполяционный фильтр 3 выдает оценочный параметр качества продукта У(t 1 )в промежутках между двумя измерениями.
Контрольные вопросы и задания
1. Дайте характеристику ТП сельскохозяйственного производства. 2. Назовите виды воздействий на объект управления. 3. Изложите структуру и принципы управления ТП. 4. Каковы особенности автоматизации сельскохозяйственного производства? 5. Назовите типовые технические решения при автоматизации ТП.
Автоматическое регулирование - это управление технологическими процессами при помощи продвинутых устройств с заранее определенными алгоритмами.
В быту, например, автоматическое регулирование может осуществляться при помощи термостата, который измеряет и поддерживает комнатную температуру на заданном уровне.
После того, как желательная температура задана, термостат автоматически контролирует комнатную температуру и включает или отключает нагреватель или воздушный кондиционер по мере необходимости, чтобы поддержать заданную температуру.
На производстве управление процессами обычно осуществляется средствами КИП и А , которые измеряют и поддерживают на необходимом уровне технологические параметры процесса, такие как: температура , давление , уровень и расход . Ручное регулирование на более-менее масштабном производстве затруднительно по ряду причин, а многие процессы вообще невозможно регулировать вручную.
Технологические процессы и переменные процесса
Для нормального выполнения технологических процессов необходимо контролировать физические условия их протекания. Такие физические параметры, как температура, давление, уровень и расход могут изменяться по многим причинам, и их изменения влияют на технологический процесс. Эти изменяемые физические условия называются «переменными процесса».
Некоторые из них могут понизить эффективность производства и увеличить производственные затраты. Задачей системы автоматического регулирования является минимизация производственных потерь и затрат на регулирование, связанных с произвольным изменением переменных процесса.
На любом производстве осуществляется воздействие на сырьё и другие исходные компоненты для получения целевого продукта. Эффективность и экономичность работы любого производства зависит от того, как технологические процессы и переменные процесса управляются посредством специальных систем регулирования.
На тепловой электростанции, работающей на угле, уголь размалывается и затем сжигается, чтобы произвести тепло, необходимое для преобразования воды в пар. Пар может использоваться по множеству назначений: для работы паровых турбин, тепловой обработки или сушки сырых материалов. Ряд операций, которые эти материалы и вещества проходят, называется «технологическим процессом». Слово «процесс» также часто используется по отношению к индивидуальным операциям. Например, операция по размолу угля или превращения воды в пар могла бы называться процессом.
Принцип работы и элементы системы автоматического регулирования
В случае системы автоматического регулирования наблюдение и регулирование производится автоматически при помощи заранее настроенных приборов. Аппаратура способна выполнять все действия быстрее и точнее, чем в случае ручного регулирования.
Действие системы может быть разделено на две части: система определяет изменение значения переменной процесса и затем производит корректирующее воздействие, вынуждающее переменную процесса вернуться к заданному значению.
Система автоматического регулирования содержит четыре основных элемента: первичный элемент, измерительный элемент, регулирующий элемент и конечный элемент.
Первичный элемент воспринимает величину переменной процесса и превращает его в физическую величину, которое передается в измерительный элемент. Измерительный элемент преобразовывает физическое изменение, произведенное первичным элементом, в сигнал, представляющий величину переменной процесса.
Выходной сигнал от измерительного элемента посылается к регулирующему элементу. Регулирующий элемент сравнивает сигнал от измерительного элемента с опорным сигналом, который представляет собой заданное значение и вычисляет разницу между этими двумя сигналами. Затем регулирующий элемент производит корректирующий сигнал, который представляет собой разницу между действительной величиной переменной процесса и ее заданным значением.
Выходной сигнал от регулирующего элемента посылается к конечному элементу регулирования. Конечный элемент регулирования преобразовывает получаемый им сигнал в корректирующее воздействие, которое вынуждает переменную процесса возвратиться к заданному значению.
В дополнение к четырем основным элементам, системы регулирования процессами могут иметь вспомогательное оборудование, которое обеспечивает информацией о величине переменной процесса. Это оборудование может включать такие приборы как самописцы, измерители и устройства сигнализации.
Виды систем автоматического регулирования
Имеются два основных вида автоматических систем регулирования: замкнутые и разомкнутые, которые различаются по своим характеристикам и следовательно - по уместности применения.
Замкнутая система автоматического регулирования
В замкнутой системе информация о значении регулируемой переменной процесса проходит через всю цепочку приборов и устройств, предназначенных для контроля и регулирования этой переменной. Таким образом, в замкнутой системе производится постоянное измерение регулируемой величины, её сравнение с задающей величиной и оказывается соответствующее воздействие на процесс для приведения регулируемой величины в соответствие с задающей величиной.
Например, подобная система хорошо подходит для контроля и поддержания необходимого уровня жидкости в резервуаре. Буек воспринимает изменение уровня жидкости. Измерительный преобразователь преобразует изменения уровня в сигнал, который отправляет на регулятор. Который, в свою очередь, сравнивает полученный сигнал с необходимым уровнем, заданным заранее. После регулятор вырабатывает корректирующий сигнал и отправляет его на регулирующий клапан, который корректирует поток воды.
Разомкнутая система автоматического регулирования
В разомкнутой системе нет замкнутой цепочки измерительных и обрабатывающих сигнал приборов и устройств от выхода до входа процесса, и воздействие регулятора на процесс не зависит от результирующего значения регулируемой переменной. Здесь не производится сравнение между текущим и желаемым значением переменной процесса и не вырабатывается корректирующее воздействие.
Один из примеров разомкнутой системы регулирования - автоматическая мойка автомобилей. Это технологический процесс по мойке автомобилей и все необходимые операции чётко определены. Когда автомобиль выходит с мойки предполагается, что он должен быть чистым. Если автомобиль недостаточно чист, то система этого не обнаруживает. Здесь нет никакого элемента, который бы давал информацию об этом и корректировал процесс.
На производстве некоторые разомкнутые системы используют таймеры, чтобы гарантировать, что ряд последовательных операций выполнен. Этот вид разомкнутого регулирования может быть приемлем, если процесс не очень ответственный. Однако, если процесс требует, чтобы выполнение некоторых условий было проверено и при необходимости были бы сделаны корректировки, разомкнутая система не приемлема. В таких ситуациях необходимо применить замкнутую систему.
Методы автоматического регулирования
Системы автоматического регулирования могут создаваться на основе двух основных методов регулирования: регулирования с обратной связью, которое работает путем исправления отклонений переменной процесса после того, как они произошли; и с воздействием по возмущению, которое предотвращает возникновение отклонений переменной процесса.
Регулирование с обратной связью
Регулирование с обратной связью - это такой способ автоматического регулирования, когда измеренное значение переменной процесса сравнивается с ее уставкой срабатывания и предпринимаются действия для исправления любого отклонения переменной от заданного значения.
Основным недостатком системы регулирования с обратной связью является то, что она не начинает регулировки процесса до тех пор, пока не произойдет отклонение регулируемой переменной процесса от значения ее уставки.
Температура должна измениться, прежде чем регулирующая система начнет открывать или закрывать управляющий клапан на линии пара. В большинстве систем регулирования такой тип регулирующего действия приемлем и заложен в конструкцию системы.
В некоторых промышленных процессах, таких как изготовление лекарственных препаратов, нельзя допустить отклонение переменной процесса от значения уставки. Любое отклонение может привести к потере продукта. В этом случае необходима система регулирования, которая бы предвосхищала изменения процесса. Такой упреждающий тип регулирования обеспечивается системой регулирования с воздействием по возмущению.
Регулирование с воздействием по возмущению
Регулирование по возмущению - это регулирование с опережением, потому что прогнозируется ожидаемое изменение в регулируемой переменной и принимаются меры прежде, чем это изменение происходит.
Это фундаментальное различие между регулированием с воздействием по возмущению и регулированием с обратной связью. Контур регулирования с воздействием по возмущению пытается нейтрализовать возмущение прежде, чем оно изменит регулируемую переменную, в то время, как контур регулирования с обратной связью пытается отрабатывать возмущение после того, как оно воздействует на регулируемую переменную.
Система регулирования с воздействием по возмущению имеет очевидное преимущество перед системой регулирования с обратной связью. При регулировании по возмущению в идеальном случае величина регулируемой переменной не изменяется, она остается на значении ее уставки. Но ручное регулирование по возмущению требует более сложного понимания того влияния, которое возмущение окажет на регулируемую переменную, а также использования более сложных и точных приборов.
На заводе редко можно встретить чистую систему регулирования по возмущению. Когда используется система регулирования по возмущению, она обычно сочетается с системой регулирования с обратной связью. И даже в этом случае регулирование по возмущению предназначается только для более ответственных операций, которые требуют очень точного регулирования.
Одноконтурные и многоконтурные системы регулирования
Одноконтурная система регулирования или простой контур регулирования - это система регулирования с одним контуром, который обычно содержит только один первичный чувствительный элемент и обеспечивает обработку только одного входного сигнала на регулятор.
Некоторые системы регулирования имеют два или больше первичных элемента и обрабатывают больше, чем один входной сигнал на регулятор. Эти системы автоматического регулирования называются «многоконтурными» системами регулирования.
Основные технологические параметры, характеризующие химико-технологические процессы - это расход, уровень, давление, температура, рН, а также параметры качества: концентрация готового продукта и его физико-химические свойства (плотность, вязкость, влажность и др.).
Регулирование расхода
При регулировании расхода нужно учитывать некоторые особенности, не присущие обычно системам регулирования других технологических параметров. Первая особенность - небольшая (обычно пренебрежимо малая) инерционность объекта регулирования, который представляет собой, как правило, участок трубопровода между первичным измерительным преобразователем для измерения расхода и регулирующим органом. После перемещения штока регулирующего органа в новое положение новое значение расхода устанавливается за доли секунды или, в крайнем случае, за несколько секунд. Это означает, что динамические характеристики системы определяются главным образом инерционностью измерительного устройства, регулятора, исполнительного устройства и линией передачи сигнала (импульсных линий). Вторая особенность проявляется в том, что сигнал, соответствующий измеренному значению расхода, всегда содержит помехи, уровень которых высок. Частично шум представляет собой физические колебания расхода, частота которых настолько велика, что система не успевает на них реагировать. Наличие высокочастотных составляющих в сигнате изменения расхода - результат пульсаций давления в трубопроводе, которые в свою очередь являются следствием работы насосов, компрессоров, случайных колебаний расхода, например, при дросселировании потока через сужающее устройство. Поэтому при наличии шума, чтобы избежать усиления в системе случайных возмущений, следует применять малые значения коэффициента усиления регулятора.
Рассмотрим объект регулирования расхода - участок трубопровода 1, расположенный между местом измерения расхода (местом установки первичного измерительного преобразователя, например диафрагмы 2) и регулирующим органом 3 (рис. 1). Длина прямого участка трубопровода определяется правилами установки нормальных сужающих устройств и регулирующих органов и может составить несколько метров. Динамику объекта (трубопровода) - канала расход вещества через регулирующий клапан-расход вещества через расходомер - можно представить статическим зве-
Рис. 1. Фрагмент системы регулирования расхода.
ном первого порядка с транспортным запаздыванием. Значение постоянной времени составляет несколько секунд; время транспортного запаздывания для газа - доли секунды, для жидкости - несколько секунд.
Поскольку инерционность объекта при регулировании расхода незначительна, к выбору технических средств управления и методов расчета АСУ предъявляются повышенные требования.
Большинство современных первичных измерительных преобразователей расхода возможно рассматривать как статические звенья нулевого порядка, а исполнительное устройство (исполнительный механизм вместе с регулирующим органом) - как статическое звено первого порядка с постоянной времени Т в несколько секунд. Для повышения быстродействия пневматического исполнительного устройства применяют позиционеры. Пневматические линии связи представляют статическим звеном первого порядка с транспортным запаздыванием (постоянная времени Т и время транспортного запаздывания определяются длиной линии связи и составляют несколько секунд).
Если расстояния между функциональными элементами системы управления велики, то по длине импульсной линии устанавливают дополнительные усилители мощности, чтобы увеличить быстродействие системы.
В системах регулирования расхода применяют различные способы изменения расхода:
дросселирование потока вещества через регулирующий орган (клапан, заслонка, шибер и др.), установленный на трубопроводе;
изменение угловой скорости вращения рабочего вала насоса или вентилятора;
байпасирование потока (под байпасированием понимается переброс части вещества из основной магистрали в обводную линию).
Технологические параметры, объекты систем автоматического контроля. Понятия датчика и преобразователя. Преобразователи перемещения. Дифференциальные и мостовые схемы подключения датчиков. Датчики физических величин - температуры, давления, механических усилий.Контроль уровней сред. Классификация и схемы уровнемеров. Методы контроля расходов жидких сред. Расходомеры переменного уровня и переменного перепада давления. Ротаметры. Электромагнитные расходомеры. Реализация расходомеров и область применения. Способы контроля плотности суспензий. Маномет-рический, весовой и радиоизотопный плотномеры. Контроль вязкости и состава суспензий. Автоматические гранулометры, анализаторы. Влагомеры продуктов обогащения.
7.1 Общая характеристика систем контроля. Датчики и преобразователи
В основе автоматического управления - непрерывное и точное измерение входных и выходных технологических параметров процесса обогащения.
Следует различать основные выходные параметры процесса (или конкретной машины), характеризующие конечную цель процесса, например, качественно-количественные показатели продуктов переработки, и промежуточные (косвенные) технологические параметры, определяющие условия протекания процесса, режимы работы оборудования. Например, для процесса обогащения угля в отсадочной машине, основными выходными параметрами могут быть выход и зольность выпускаемых продуктов. В тоже время на указанные показатели влияет ряд промежуточных факторов, например, высота и разрыхленность постели в отсадочной машине.
Кроме того, существует ряд параметров, характеризующих техническое состояние технологического оборудования. Например, температура подшипников технологических механизмов; параметры централизованной жидкой смазки подшипников; состояние перегрузочных узлов и элементов поточно-транспортных систем; наличие материала на ленте конвейера; присутствие металлических предметов на ленте конвейера, уровни материала и пульпы в емкостях; длительность работы и время простоев технологических механизмов и т.д.
Особую трудность вызывает автоматический оперативный контроль технологических параметров, определяющих характеристику сырья и продуктов обогащения, таких как зольность, вещественный состав руды, степень раскрытия минеральных зерен, гранулометрический и фракционный состав материалов, степень окисленности поверхности зерен и пр. Данные показатели или контролируются с недостаточной точностью или не контролируются совсем.
Большое число физических и химических величин, определяющих режимы процессов переработки сырья, контролируется с достаточной точностью. К ним можно отнести плотность и ионный состав пульпы, объемные и массовые расходы технологических потоков, реагентов, топлива, воздуха; уровни продуктов в машинах и аппаратах, температура среды, давление и разряжение в аппаратах, влажность продуктов и т.д.
Таким образом, многообразие технологических параметров, их важность при управлении процессами обогащения требуют разработки надежно действующих систем контроля, где оперативное измерение физико-химических величин основано на самых различных принципах.
Нужно отметить, что надежность работы систем контроля параметров в основном определяет работоспособность систем автоматического управления процессами.
Системы автоматического контроля служат основным источником информации при управлении производством, в том числе в АСР и АСУТП.
Датчики и преобразователи
Основным элементом систем автоматического контроля, который определяет надежность и работоспособность всей системы, является датчик, непосредственно контактирующий с контролируемой средой.
Датчиком называется элемент автоматики, осуществляющий преобразование контролируемого параметра в сигнал, пригодный для ввода его в систему контроля или управления.
Типовая система автоматического контроля в общем случае включает первичный измерительный преобразователь (датчик), вторичный преобразователь, линию передачи информации (сигнала) и регистрирующий прибор (рис. 7.1). Зачастую система контроля имеет только чувствительный элемент, преобразователь, линию передачи информации и вторичный (регистрирующий) прибор.
Датчик, как правило, содержит чувствительный элемент, воспринимающий величину измеряемого параметра, а в некоторых случаях и преобразующий ее в сигнал, удобный для дистанционной передачи на регистрирующий прибор, а при необходимости – в систему регулирования.
Примером чувствительного элемента может быть мембрана дифференциального манометра, измеряющего разность давлений на объекте. Перемещение мембраны, вызванное усилием от разности давлений, преобразуется с помощью дополнительного элемента (преобразователь) в электрический сигнал, который легко передается на регистратор.
Другой пример датчика – термопара, где совмещены функции чувствительного элемента и преобразователя, так как на холодных концах термопары возникает электрический сигнал, пропорциональный измеряемой температуры.
Подробнее о датчиках конкретных параметров будет изложено ниже.
Преобразователи классифицируются на однородные и неоднородные. Первые имеют одинаковые по физической природе входную и выходную величину. Например, усилители, трансформаторы, выпрямители – преобразуют электрические величины в электрические с другими параметрами.
Среди неоднородных самую большую группу составляют преобразователи неэлектрических величин в электрические (термопары, терморезисторы, тензометрические датчики, пьезоэлементы и пр.).
По виду выходной величины данные преобразователи подразделяются на две группы: генераторные, имеющие на выходе активную электрическую величину – ЭДС и параметрические – с пассивной выходной величиной в виде R, L или С.
Преобразователи перемещения. Наибольшее распространение получили параметрические преобразователи механического перемещения. К ним относятся R (резисторные), L (индуктивные) и С (емкостные) преобразователи. Данные элементы изменяют пропорционально входному перемещению выходную величину: электрическое сопротивление R, индуктивность L и емкость С (рис. 7.2).
Индуктивный преобразователь может быть выполнен в виде катушки с отводом от средней точки и перемещающимся внутри плунжером (сердечником).
Рассматриваемые преобразователи обычно подключаются к системам контроля с помощью мостовых схем. В одно из плеч моста (рис. 7.3 а) подключается преобразователь перемещения. Тогда выходное напряжение (U вых), снимаемое с вершин моста А-В, будет изменяться при перемещении рабочего элемента преобразователя и может быть оценено выражением:
Напряжение питания моста (U пит) может быть постоянного (при Z i =R i) или переменного (при Z i =1/(Cω) или Z i =Lω) тока с частотой ω.
В мостовую схему с R элементами могут подключаться терморезисторы, тензо- и фоторезисторы, т.е. преобразователи выходной сигнал которых – изменение активного сопротивления R.
Широко применяемый индуктивный преобразователь обычно подключается к мостовой схеме переменного тока, образованной трансформатором (рис. 7.3 б). Выходное напряжение в этом случае выделяется на резисторе R, включенном в диагональ моста.
Особую группу составляют широко применяемые индукционные преобразователи - дифференциально-трансформаторные и ферро-динамические (рис. 7.4). Это – генераторные преобразователи.
Выходной сигнал (U вых) данных преобразователей формируется в виде напряжения переменного тока, что исключает необходимость применения мостовых схем и дополнительных преобразователей.
Дифференциальный принцип формирования выходного сигнала в трансформаторном преобразователе (рис. 6.4 а) основан использовании двух вторичных обмоток, включенных навстречу друг другу. Здесь выходной сигнал – векторная разница напряжений, возникающих во вторичных обмотках при подаче напряжения питания U пит, при этом выходное напряжение несет две информации: абсолютное значение напряжения – о величине перемещения плунжера, а фаза – направление его перемещения:
Ū вых = Ū 1 – Ū 2 = kХ вх,
где k – коэффициент пропорциональности;
Х вх – входной сигнал (перемещение плунжера).
Дифференциальный принцип формирования выходного сигнала увеличивает чувствительность преобразователя в два раза, так как при перемещении плунжера, например, вверх, растет напряжение в верхней обмотке (Ū 1) из-за роста коэффициента трансформации, на столько же снижается напряжение в нижней обмотке (Ū 2).
Дифференциально-трансформаторные преобразователи получили широкое распространение в системах контроля и регулирования благодаря своей надежности и простоты. Их размещают в первичных и вторичных приборах измерения давления, расхода, уровней и пр.
Более сложными является ферродинамические преобразователи (ПФ) угловых перемещений (рис. 7.4 б и 7.5).
Здесь в воздушном зазоре магнитопровода (1) помещен цилиндрический сердечник (2) с обмоткой в виде рамки. Сердечник установлен с помощью кернов и может поворачиваться на небольшой угол α вх в пределах ± 20 о. На обмотку возбуждения преобразователя (w 1) подается переменное напряжение 12 – 60 В, в результате чего возникает магнитный поток, пересекающий площадь рамки (5). В ее обмотке индуцируется ток, напряжение которого (Ū вых) при прочих равных условиях пропорционально углу поворота рамки (α вх), а фаза напряжения изменяется при повороте рамки в ту или иную сторону от нейтрального положения (параллельно магнитному потоку).
Статические характеристики преобразователей ПФ показаны на рис. 7.6.
Характеристику 1 имеет преобразователь без включенной обмотки смещения (W см). Если нулевое значение выходного сигнала нужно получить не в среднем, а в одном из крайних положений рамки, следует включить обмотку смещения последовательно с рамкой.
В этом случае выходной сигнал – сумма напряжений снимаемых с рамки и обмотки смещения, чему соответствует характеристика 2 или 2 " , если изменить подключение обмотки смещения на противофазное.
Важным свойством ферродинамического преобразователя является возможность изменения крутизны характеристики. Это достигается изменением величины воздушного зазора (δ) между неподвижным (3) и подвижным (4) плунжерами магнитопровода, ввинчивая или вывинчивая последний.
Рассмотренные свойства преобразователей ПФ используют при построении относительно сложных систем регулирования с выполнением простейших вычислительных операция.
Общепромышленные датчики физических величин.
Эффективность процессов обогащения во многом зависит от технологических режимов, которые в свою очередь определяются значениями параметров, влияющих на эти процессы. Многообразие обогатительных процессов обуславливает большое количество технологических параметров, требующих своего контроля. Для контроля некоторых физических величин достаточно иметь стандартный датчик с вторичным прибором (например, термопара - автоматический потенциометр), для других необходимы дополнительные устройства и преобразователи (плотномеры, расходомеры, золомеры и пр.).
Среди большого количества промышленных датчиков можно выделить датчики, широко применяемые в различных отраслях промышленности в качестве самостоятельных источников информации и как составные элементы более сложных датчиков.
В данном подразделе рассмотрим наиболее простые общепромышленные датчики физических величин.
Датчики температуры. Контроль тепловых режимов работы котлоагрегатов, сушильных установок, некоторых узлов трения машин позволяет получить важную информацию, необходимую для управления работой указанных объектов.
Манометрические термометры . Данное устройство включает в себя чувствительный элемент (термобаллон) и показывающий прибор, соединенных капиллярной трубкой и заполненных рабочим веществом. Принцип действия основан на изменении давления рабочего вещества в замкнутой системе термометра в зависимости от температуры.
В зависимости от агрегатного состояния рабочего вещества различают жидкостные (ртуть, ксилол, спирты), газовые (азот, гелий) и паровые (насыщенный пар низкокипящей жидкости) манометрические термометры.
Давление рабочего вещества фиксируется манометрическим элементом – трубчатой пружиной, раскручивающейся при повышении давления в замкнутой системе.
В зависимости от вида рабочего вещества термометра пределы измерения температуры составляют от – 50 о до +1300 о С. Приборы могут оснащаться сигнальными контактами, записывающим устройством.
Терморезисторы (термосопротивления). Принцип действия основан на свойстве металлов или полупроводников (термисторы ) изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Эта зависимость для терморезисторов имеет вид:
где R 0 – сопротивление проводника при Т 0 =293 0 К;
α Т – температурный коэффициент сопротивления
Чувствительные металлические элементы изготавливают в виде проволочных катушек или спиралей в основном из двух металлов – меди (для низких температур – до 180 о С) и платины (от -250 о до 1300 о С), помещенных в металлический защитный кожух.
Для регистрации контролируемой температуры терморезистор, как первичный датчик, подключается к автоматическому мосту переменного тока (вторичный прибор), данный вопрос будет рассмотрен ниже.
В динамическом отношении терморезисторы можно представить апериодическим звеном первого порядка с передаточной функцией W(p)=k/(Tp+1) , если же постоянная времени датчика (Т ) значительно меньше постоянной времени объекта регулирования (контроля), допустимо принимать данный элемент как пропорциональное звено.
Термопары. Для измерения температур в больших диапазонах и свыше 1000 о С обычно применяют термоэлектрические термометры (термопары).
Принцип действия термопар основан на эффекте возникновения ЭДС постоянного тока на свободных (холодных) концах двух разнородных спаянных проводников (горячий спай) при условии, что температура холодных концов отличается от температуры спая. Величина ЭДС пропорциональна разности этих температур, а величина и диапазон измеряемых температур зависит от материала электродов. Электроды с нанизанными на них фарфоровыми бусами помещаются в защитную арматуру.
Подключение термопар к регистрирующему прибору производится специальными термоэлектродными проводами. В качестве регистрирующего прибора может использоваться милливольтметр с определенной градуировкой или автоматический мост постоянного тока (потенциометр).
При расчете систем регулирования термопары могут представляться, как и терморезисторы, апериодическим звеном первого порядка или пропорциональным.
Промышленность выпускает различные типы термопар (табл. 7.1).
Таблица 7.1 Характеристика термопар
Датчики давления. Датчики давления (разряжения) и перепада давления получили самое широкое применение в горно-обогатительной отрасли, как общепромышленные датчики, так и в качестве составных элементов более сложных систем контроля таких параметров, как плотность пульп, расход сред, уровень жидких сред, вязкость суспензии и п.п.
Приборы для измерения избыточного давления называются манометрами или напоромерами , для измерения вакуумметрического давления (ниже атмосферного, разряжение) – вакуумметрами или тягомерами, для одновременного измерения избыточного и вакуумметрического давления - мановакуумметрами или тягонапорометрами.
Наибольшее распространение получили датчики пружинного типа (деформационные) с упругими чувствительными элементами в виде манометрической пружины (рис. 7.7 а), гибкой мембраны (рис. 7.7 б) и гибкого сильфона.
.
Для передачи показаний на регистрирующий прибор в манометрах может быть встроен преобразователь перемещения. На рисунке показаны индукционно-трансформаторные преобразователи (2), плунжеры которых связаны с чувствительными элементами (1 и 2).
Приборы для измерения разности двух давлений (перепада) называются дифференциальными манометрами или дифманометрами (рис. 7.8). Здесь давление воздействует на чувствительный элемент с двух сторон, эти приборы имеют два входных штуцера для подачи большего (+Р) и меньшего (-Р) давления.
Дифманометры можно разделить на две основные группы: жидкостные и пружинные. По виду чувствительного элемента среди пружинных наиболее распространены мембранные (рис. 7.8а), сильфонные (рис.7.8 б), среди жидкостных - колокольные (рис. 7.8 в).
Мембранный блок (рис. 7.8 а) обычно заполняется дистиллированной водой.
Колокольные дифманометры, у которых чувствительным элементом является колокол, частично погруженный вверх дном в трансформаторное масло, являются наиболее чувствительными. Они применяются для измерения небольших перепадов давления в пределах 0 – 400 Па, например, для контроля разряжения в топках сушильных и котельных установок
Рассмотренные дифманометры относятся к бесшкальным, регистрация контролируемого параметра осуществляется вторичными приборами, на которые поступает электрический сигнал от соответствующих преобразователей перемещения.
Датчики механических усилий. К этим датчикам относятся датчики, содержащие упругий элемент и преобразователь перемещения, тензометрические, пьезоэлектрические и ряд других (рис. 7.9).
Принцип работы данных датчиков ясен из рисунка. Отметим, что датчик с упругим элементом может работать с вторичным прибором – компенсатором переменного тока, тензометрический датчик – с мостом переменного тока, пьезометрический – с мостом постоянного тока. Подробнее этот вопрос будет изложен в последующих разделах.
Тензометрический датчик представляет собой подложку на которую наклеено несколько витков тонкого провода (специальный сплав), либо металлической фольги как показано на рис. 7.9б. Датчик наклеивается на чувствительный элемент, воспринимающий нагрузку F, с ориентацией длинной оси датчика по линии действия контролируемой силы. Этим элементом может быть любая конструкция, находящаяся под воздействием силы F и работающая в пределах упругой деформации. Этой же деформации подвергается и тензодатчик, при этом проводник датчика удлиняется либо сокращается по длинной оси его установки. Последнее приводит к изменению его омического сопротивления по известной из электротехники формуле R=ρl/S.
Добавим здесь, что рассмотренные датчики могут быть использованы при контроле производительности ленточных конвейеров (рис.7.10 а), измерении массы транспортных средств (автомобилей, железнодорожных вагонов, рис. 7.10 б), массы материала в бункерах и пр.
Оценка производительности конвейера основана на взвешивании определенного участка нагруженной материалом ленты при постоянной скорости ее движения. Вертикальное перемещение весовой платформы (2), установленной на упругих связях, вызванное массой материала на ленте, передается на плунжер индукционно-трансформаторного преобразователя (ИТП), который формирует информацию на вторичный прибор (U вых).
Для взвешивания железнодорожных вагонов, груженых автомобилей весовая платформа (4) опирается на тензометрические блоки (5), представляющие собой металлические опоры с наклеенными тензометрическими датчиками, которые испытывают упругую деформацию, зависящую от массы объекта взвешивания.
