Вопрос 25. Контроллеры (назначение, конструкция, принцип действия)

Контроллер — это устройство локального управления, работающее в реальном масштабе времени по определенному алгоритму, который может быть задан аппаратно либо программно.

Первые контроллеры выполняли в виде электромеханических командоаппаратов. Это были преимущественно барабанные коммутаторы электрических или пневматических цепей. Реализуемый ими алгоритм управления определялся положением кулачков (штифтов) на вращающемся барабане, которые в заданной последовательности замыкали или размыкали цепи питания ИМ.

Затем стали создавать контроллеры в виде автоматов, алгоритм действия которых определялся схемой соединения логических элементов. Эти контроллеры назвали контроллерами с «жесткой логикой».

В современных САУ широко применяют контроллеры на базе микропроцессоров. Их алгоритм действия определяется не способом соединения отдельных элементов, а программой, вводимой в виде машиночитаемых кодов в блок памяти. Такие контроллеры называют программируемыми, основные их преимущества: высокая надежность, универсальность и гибкость. Один и тот же программируемый контроллер в зависимости от записанной в его памяти программы можно использовать для решения различных задач управления. Для обновления программы либо заменяют БИС памяти на другую, в которую «зашита» новая рабочая программа, либо перепрограммируют имеющуюся в контроллере соответствующую БИС памяти.

Возможность быстрого внесения различных изменений в алгоритм управления программным путем без изменения аппаратной части управляющей системы обеспечивает большую гибкость программируемых контроллеров и значительно сокращает время проектирования систем управления.

В то же время в состав таких контроллеров пришлось вводить специальные устройства, которые обеспечивали бы их взаимодействие с периферийными устройствами, в том числе оперирующими нецифровыми сигналами. Комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающих взаимодействие контроллера с периферийными устройствами, называют интерфейсом контроллера.

В общем случае контроллер имеет центральный процессор с перепрограммируемым блоком памяти, клавиатуру ввода команд и данных, а также интерфейс связи с внешними устройствами, к которым относятся датчики технологических пара метров и исполнительные механизмы. Алгоритм функционирования обеспечивается программой, которая хранится в перепрограммируемой памяти и может быть изменена оператором помощью клавиатуры.

Современные программируемые контроллеры РС-совместимые. Их программируют с помощью персональных компьютеров, использующих специальные инструментальные программы, написанные на языках высокого уровня. Наибольшее распространение за последнее время получило объектноориентированное программирование с помощью работающих в сред Windows программных продуктов, имеющих общее название SCADA-систем.

Типовая функциональная схема контроллера системы регулирования расхода приведена на рисунке 1. В состав контроллера входят: микропроцессор (МП), программируемое запоминающее устройств (ПЗУ), программируемый таймер (Т), клавиатура и панель цифровой индикации. Клавиатура имеет цифровое наборное поле, функциональные клавиши для перевода контроллера в различные режимы работы; программирование; управление технологическим процессом; тестирование и индикация сигналов датчиков и сигналов управления от ИМ. Для индикации параметров предусмотрена панель индикации на жидких кристаллах.

Датчики непрерывных сигналов подключаются к микропроцессору через аналого-цифровой преобразователь. Программа управления параметрами ТП хранится в программируемом запоминающем устройстве (ПЗУ). Информация поступает в микропроцессор по специальным шинам: управления, данных и адресов.

Вопрос 26. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ РАСХОДА

Для систем автоматического регулирования (контуров стабилизации) расхода «объектом», как правило, является участок трубопровода от исполнительного механизма до расходо­мера. Естественно, такой «объект» можно считать практически безынерционным (теоретически — при регулировании расходов несжимаемых жидкостей). Однако контуры стабилизации рас­хода не позволяют получить высокое качество регулирования по следующим причинам:

главной инерционностью в таких системах обладают датчики, исполнительные механизмы и при пневматической реали­зации — линии. При этом такие расходомеры, как ротаметры, имеют динамическую характеристику в виде чистого запазды­вания. В целом нередки случаи, когда отношение То/tо контура получается порядка единицы;

в сигнале расхода присутствует высокочастотная состав­ляющая (пульсации давления на сужающем устройстве, вибрации поплавка ротаметра, толчки в трубопроводе на выходе плунжерных насосов и т. п.), а инерционность исполнительного механизма обычно не позволяет подавить такого рода помехи;

отсутствие объекта в чистом виде делает заметными раз­ного рода нелинейности. Здесь важную роль играет техническая нелинейность многих типов расходомеров (например, корневая характеристика сужающих устройств, зона нечувствительности ротаметров и т. п.). Однако нелинейности регулирующих кла­панов тоже иногда нужно учитывать (например, при примене­нии заслонок, мембранных или шланговых клапанов).

С учетом изложенного важно правильно определить требо­вания к качеству регулирования.

Обычно для объектов пищевой технологии нет смысла точно стабилизировать расход в каждый данный момент. Достаточно обеспечить поддержание с заданной точностью среднего расхо­да за некоторый интервал времени. Иногда этот интервал мо­жет быть относительно большим. Например, необходимо знать производительность некоторого агрегата за час, смену. Если система достаточно точно поддерживает средний расход за 15—20 мин, то это вполне приемлемо.

Из этих же соображений обычно не важна амплитуда мак­симальных отклонений расхода (если это допустимо по техно­логическим ограничениям). Важно лишь, чтобы такие отклоне­ния были кратковременными.

В то же время систематические от­клонения, даже небольшие, нежелатель­ны, так как это повлияет на средний рас­ход. Поэтому применение П-регуляторов из-за статической ошибки нецелесооб­разно. Отдельно следует отметить осо­бенности следящих контуров регулиро­вания расхода (когда такой контур — нижний уровень каскадной системы). В таких случаях важно правильно выбрать совместимые уставки обоих контуров каскада.

Рассмотрим особенности системы ав­томатического регулирования расхода после плунжерного насоса. В пищевых производствах достаточно типичной является ситуация, когда «неудобный» (т. е. содержащий взвеси, липкий, вязкий) про­дукт необходимо перекачивать плунжерными насосами. Такими продуктами являются бражка, замес, меласса, известковое мо­локо, томат-паста и др. При необходимости регулировать рас­ход такого продукта используют либо регулируемый привод насоса (как правило, тиристорный), либо устанавливают кла­пан, байпасирующий насос. Рассмотрим второй случай — более простой в смысле технической реализации и более дешевый, но более сложный в смысле расчета. Типичная схема автоматиза­ции приведена на рис. 3.5.

Для данного контура важен выбор клапана, так как нали­чие взвесей и вязкость продукта способствуют забиванию. Диа­фрагменный клапан не имеет «карманов», а также крутых из­гибов, способствующих забиванию. Однако более простая кон­струкция проточной части приводит к существенной нелинейно­сти характеристики клапана и сильному влиянию перепада давления на клапане на расход. Кроме того, незагруженная диафрагма (запорный элемент клапана) передает броски дав­ления на шток и, как следствие, создает заметный люфт в ста­тической характеристике клапана.

Рис. 3.5. Схема автоматизации регулирования расхода:

/ — плунжерный насос; // — демпфер; / — датчик индук­ционного расходомера; 2 — вторичный прибор индукци­онного расходомера; 3 — электропневмопреобразователь; 4 — прибор обратного предварения; 5 — вторичный при­бор; 6 — ПИД-регулятор; 7 — диафрагменный клапан

Другой важный практический момент — необходимость уста­новки демпфера II, предназначенного для сглаживания толчков расхода, которые создает плунжерный насос.

Вопрос 27. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ

С точки зрения теории регулирования контуры стабилизации давления для пищевых объектов являются, как правило, достаточно простыми. Это объясняется простотой динамической характеристики, выражающейся обычно уравнением первого порядка без запаздывания (или с t₀/T₀<0,1) при небольших постоянных времени. Поэтому качество регулирования их почти всегда достаточно высокое. Однако важным требованием при проектировании таких систем является надежность (резкое повышение давления в аппарате может привести к серьезной ава­рии и даже к взрыву).

Рис. 3.10. Схема автоматизации регулирования давления в нижней части ректификационной ко­лонны:

/ — нижняя часть колонны; // — трубопровод подачи пара; 1 — устройство отбора импульса; 2 — датчик давления в нижней части; 3 — вторичный прибор; 4 — ПИ-регулятор; 5 — регулирующий клапан

С учетом требований надежности особое внимание следует обращать на выбор места отбора импульса и правильность монтажа датчика линии, связывающей датчик с объектом. Наиболее часты отказы контуров давления из-за забивания трубки отбора давления (в пищевых производствах наличие в продуктах разного рода взвесей — обычное явление). При измерении давления в паровой среде следует брать во внимание конденсацию продукта в датчике и импульсной трубке, возможность образования водяных пробок и т. п.

При расчете системы необходимо учитывать инерционность не только объекта, но и исполнительного механизма, а также пневматических линий.

Рассмотрим систему автоматического регулирования давления в нижней части ректификационной колонны (рис. 3.10). Для этой системы важен выбор клапана. Больше всего соответствует нормально закрытый клапан (воздух открывает), так как при остановке компрессора пар следует перекрыть. Ввиду особенностей помещения все приборы пневматические. Выбор датчика осуществляется с учетом того, что в рабочем режиме давление в нижней части ректификационной колонны находится в пределах 20—30 кПа (по технологическому регламенту). С учетом этого подходит датчик с пределами 0—40 кПа, т. е. верхний предел соответствует 40 кПа. Рабочая область будет от 50 до 75% шкалы. Класс датчика — единица, т. е. погрешность составит 0,4 кПа, что приемлемо.

Вопрос 29. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Поддержание заданной температуры часто является одной из самых важных задач с точки зрения технологии при управ­лении пищевыми объектами.

Многие процессы пищевой технологии (например, развари­вание, пастеризация, брожение, солодоращение, дрожжегенерация, ректификация, дистилляция, экстракция) должны идти при строго определенной температуре. Обычно даже небольшие нарушения температурного режима приводят к потерям или браку продукта. Поэтому от систем стабилизации температуры часто требуется высокая точность регулирования.

В то же время температурные каналы обычно весьма инер­ционны, а иногда к тому же обладают значительным запазды­ванием. Это делает разработку указанных систем достаточно сложной.

Системы автоматического регулирования температуры по соотношению t₀ /Т₀ можно условно разделить на три группы: 1) t₀ /Т₀<0,1; 2) 0,1£t₀ /Т₀£0,7; 3) t₀ /Т₀>0,7.

К первой группе относятся системы, предназначенные для регулирования объектов с очень большими постоянными вре­мени (порядка часов). Дополнительную сложность здесь соз­дает относительная массовость таких систем на пищевых пред­приятиях (например, стабилизация температуры в нескольких зонах агрегата или в 5—10 однотипных агрегатах). Отсюда вы­текает необходимость получить возможно более простую (де­шевую и надежную) реализацию каждой системы. В частности, широкое распространение получили многоточечные позицион­ные системы регулирования.

Другая сложность заключается в обеспечении требуемой точности. Здесь решающую роль играет правильный выбор диапазона измерения датчика.

Системы третьей группы распространены несколько меньше. Большое отношение t₀ /Т₀ при высоких требованиях к качеству регулирования часто затрудняет реализацию системы. Однако во многих случаях при Т ₀ не более 1—2 мин можно получить хороший результат при использовании обычного ПИ-регулятора. При больших Т ₀ и отношении t₀ / Т ₀, приближающемся к 1, требуются специальные решения (использование каскадных си­стем, различного рода упреждающих устройств, переход к П - регуляторам).

Системы второй группы занимают промежуточное положе­ние. При больших Т ₀, если требования к динамической ошибке не очень высоки, можно применять позиционную систему. В большинстве же случаев необходим П- или ПД-регулятор (ПИ-регулятор при Т ₀ больше 2 мин обычно работает не­устойчиво— это дефект большинства типов общепромышленных регуляторов). При малых Т ₀ ПИ- и ПИД-регуляторы дают хо­рошие результаты.

В ряде случаев качество работы системы может сильно за­висеть от места врезки чувствительного элемента датчика. По­этому следует обращать внимание на такие моменты.

При наличии в агрегате продукта в двух фазах (напри­мер, паровой и жидкой) чувствительный элемент должен на­ходиться в жидкой фазе, что обеспечивает лучший теплообмен.

При выборе места врезки для чувствительного элемента нужно избегать застойных зон в агрегате. Иногда требуется исследование характера движения продукта в агрегате.

В ряде случаев агрегат состоит из многих зон (например, сушилки, ректификационные и дистилляционные колонны). Весьма важен правильный выбор контрольной зоны (где будет установлен чувствительный элемент). С одной стороны, режим контрольной зоны должен быть представительным для про­цесса в целом, а с другой — контроль­ную зону следует выбирать, исходя из наилучших динамических показателей по температуре (минимальное запаздыва­ние, высокий коэффициент передачи и т. п.). Часто эти вопросы являются предметом специального исследования статических и динамических параметров процесса.

По соображениям ремонтопригодности датчика чувствительный элемент иногда целесообразно устанавливать в специальной гильзе. В этом случае важно, что­бы гильза (дополнительное тепловое сопротивление) как мож­но меньше ухудшала динамические параметры. Желательно, чтобы гильза была по возможности тонкостенной, медной или алюминиевой (если это допустимо по соображениям совместимости с материалом корпуса агрегата и свойствами продукта). В процессе эксплуатации необходимо следить за заполнением гильзы маслом.

Рассмотрим систему автоматической стабилизации температуры охлаждающей во­ды после трубчатого теплообменника-конденсатора (рис. 3.12).

Продукт в паровой фазе поступает в межтрубное пространство теплообменни­ка-конденсатора. Медные трубки конденсатора охлаждаются водой. Продукт конденсируется и отбирается в жидкой фазе из теплообменника.

Рис. 3.12. Схема автоматизации трубчатого теп­лообменника:

/ — теплообменник-конденсатор; // — трубопровод охлаж­дающей воды; /// — трубопровод для отвода конденса­та; IV — трубопровод горячей воды; V — трубопровод пара из основного процесса; 1, 2 — датчики температу­ры; 3 — вторичный прибор; 4 — ПИ-регулятор; 5 — регу­лирующий клапан

Вопрос 28. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ УРОВНЯ

Для большинства пищевых процессов, в которых так или иначе осуществляют регулирование уровня, задача точной стабилизации уровня, как правило, неактуальна. Обычно емкость рабочего агрегата или специальная буферная емкость используются для аккумулирования продукта и сглаживания неравномерности режима (по расходу продукта). В такой ситуации уровень используется как косвенный показатель материального баланса и, естественно, желательно изменение уровня в достаточно широких пределах (для более полного использования аккумулирующей способности емкости).

Бывают также случаи, когда особенности технологии требуют относительно точной стабилизации количества продукта в агрегате. Тогда требования к качеству регулирования уровня весьма высоки. Однако разработчики технологического оборудования в таких ситуациях стараются обеспечить стабильный уровень за счет специальной конст­рукции агрегата, например вве­дением переливной («чересной») трубы. Получается примитивный, но обычно точный и весьма надежный стабилизатор уровня прямого действия.

Системы автоматической стабилизации уровня можно клас­сифицировать по нескольким признакам. Одни из признаков (по требованиям к точности) уже были приведены, причем си­стемы первой группы (с невысокими требованиями к точности) можно, в свою очередь, разделить на непрерывные и позицион­ного регулирования. По виду динамических характеристик раз­личают системы с самовыравниванием (когда расход отходя­щего продукта зависит от уровня) и без самовыравнивания (астатические).

Последняя группа объектов (астатических) — более много­численная и имеет ту особенность, что применение для них ПИ-регуляторов приводит к неустойчивости контура из-за сдви­га по фазе в 180° в области низких частот (сдвиг 90° дает астатизм объекта и 90° — ПИ-регулятор). Естественно, даже незначительное запаздывание делает такой контур неустойчивым.

Однако во многих случаях, даже если объект с самовырав­ниванием (статический), нет необходимости применять ПИ-ре­гулятор, так как статическая ошибка регулирования уровня обычно вполне допустима.

Достаточно типичной особенностью является наличие высо­кочастотных пульсаций уровня. Эти пульсации возникают при измерении уровня в рабочих агрегатах и вызваны они, как правило, свойствами технологического процесса в агрегате (работой мешалок, барботажем пара через слой жидкости и т. п.). При малой чувствительности контура (П-регулятор с небольшим коэффициентом усиления) такие пульсации малосущественны. Если присутствие колебаний нежелательно, применяют фильтры (например, пневматические приборы обратного предварения).

При проектировании контура стабилизации уровня важно правильно выбрать тип (принцип действия) датчика. В пищевой технологии часто приходится иметь дело с веществами вязкими, содержащими взвеси, и т. п.

При выборе буйкового или поплавкового уровнемера надо учитывать возможность налипания продукта на поплавок. Кроме того, используя поплавковые и буйковые плотномеры, ча­сто необходимо предусматривать выносную камеру. Наличие крупных частиц (взвесей) в измеряемом веществе может привести к забиванию камеры и неработоспособности датчика. По аналогичной причине (наличие взвесей) может оказаться не­возможным применение уровнемеров на основе дифманометров (из-за забивания отборных устройств). Четкие рекомендации в этом вопросе дать затруднительно. Обычный путь — исполь зование прототипов удачных технических решений по измерению уровня таких же или аналогичных веществ.

Рис. 3.16. Схема автоматизации процесса регулирования уровня в буферной емкости: I, III — трубопроводы входного и выходного продукта; II — емкость; 1, 2— датчики уровня-дифманометры; 3— вторичный прибор; 4 — П-регулятор; 5 — регулирующий клапан

Рис. 3.17. Схема автоматизации процесса регулирования уровня в нейтрализаторе: I — нейтрализатор; II — трубопровод щелочного раствора; III — трубопровод мыльно-щелочного раствора; 1, 2— датчики уровня; 3— вторичный прибор; 4 — П - регулятор; 5 — регулирующий клапан

Вопрос 30. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СОСТАВА (КОНЦЕНТРАЦИИ) ПРОДУКТОВ

При автоматизации пищевых производств системы регулирования качественных показателей до сих пор используются не часто, но там, где применяются, они обычно являются центральным узлом системы, поскольку обеспечивают стабилизацию качества продукта на входе или выходе процесса. В то же время системы автоматического регулирования качественных показателей чаще всего являются самым сложным (как с точки зрения разработки, так и реализации) узлом системы автоматизации.

В отличие от других видов контуров автоматического регулирования для контуров рассматриваемого вида большую сложность представляет выбор датчика. Далеко не всегда можно (подобрать прибор общепромышленного изготовления, пригодный для измерения концентрации конкретного продукта (с учетом физических свойств продукта, его консистенции, возможности загрязнения чувствительного элемента и т. п.). В ряде случаев необходима разработка специального прибора. Часто такая разработка существенно превосходит по сложности и трудоемкости разработку собственно системы автоматического регулирования.

Учитывая сложность выбора (а тем более разработки) датчика, дать конкретные рекомендации в данном вопросе затруднительно. Ограничимся лишь следующими замечаниями.

1. Измерение концентрации непосредственным методом, как известно, практически не применяется. Реальное измерение выполняется для какого-либо косвенного параметра, функционально связанного с концентрацией. Примером таких параметров могут служить плотность, вязкость, различные электрические (электропроводность, диэлектрическая проницаемость) или оптические (коэффициент преломления) показатели.

Успех разработки в целом (независимо от того, предполагается использовать общепромышленный датчик или разработать специальный) в значительной мере определяется правильным выбором принципа работы датчика (т. е. косвенного параметра для измерения) и методом измерения. Необходимо учитывать, насколько косвенный параметр отражает концентрацию (линейность этой связи, влияние других параметров, в частности примесей). В большинстве случаев это предмет специального исследования. Важно также учитывать метод измерения косвенного параметра и особенности взаимодействия чувствительного элемента с измеряемой средой (например, налипание частиц продукта, влияние взвесей и т. п.).

2. При определении требований к выбираемому датчику следует обратить особое внимание на вопросы метрологии и динамические характеристики самого датчика. Вопросы метрологии особенно важны (по сравнению с системами других видов), так как на погрешность рассматриваемых видов измерения косвенных параметров существенно влияют дополнительные погрешности (например, воздушные полости, наличие пузырей и взвесей при измерении плотности, загрязнения линз при оптических измерениях, влияние температуры среды и т. п.).

Принцип действия многих датчиков качества часто определяет наличие дополнительного запаздывания (или большой постоянной времени) самого прибора. Наиболее характерный пример— автоматические хроматографы. В них анализ длится несколько минут (до 30), и в течение этого времени выходной сигнал остается постоянным (по результатам предыдущего анализа). Другой пример — некоторые типы плотномеров.

Помимо изложенного, при разработке контуров стабилизации качественных показателей имеют место и «обычные» трудности — неблагоприятные динамические характеристики объекта, высокие требования к качеству регулирования и т. п. Все это делает такие системы весьма сложными в разработке и эксплуатации. По-видимому, это и является причиной их относительно малого применения при автоматизации предприятий. Рассмотрим систему автоматического регулирования концентрации (плотности) рассиропки мелассы.

При управлении процессом брожения при переработке мелассы возникает необходимость в стабилизации трех показателей: температуры, концентрации и расхода рассиропки. Эти параметры в основном определяют качество процесса.

В целях упрощения на схеме не показан контур стабилизации температуры рассиропки, что для контура стабилизации концентрации рассиропки несущественно. Будем считать заданными структуру и уставки контуров регулирования расхода воды и мелассы. Расход мелассы стабилизируется, а подача воды регулируется по соотношению с расходом мелассы. Величина этого соотношения корректируется по концентрации рассиропки.

Раствор сахара в воде теоретически имеет плотность, однозначно определяемую концентрацией. Однако реально меласса содержит и другие вещества. К тому же плотность ее существенно зависит от температуры. Специальными исследованиями установлено относительно слабое влияние примесей мелассы на плотность.

Рис. 3.18. Схема автоматизации регулирования концентрации рассиропки мелассы:

/ — рассиропник; // — трубопровод рассиропки; /// — трубопровод воды; IV— трубопровод мелассы; 1, 2, 8, 9 — комплекты индукционных расходомеров; 3, 10 — электропнев-мопреобразователи; //— фильтр; 4, 12, 18 — вторичные приборы; 5 — ПИ-регулятор; 6, 14 — мембранные пневмоприводы; 7, 15 — заслонки; 13 — ПИ-регулятор соотношения с коррекцией; 16 — датчик плотности; 17 — тягонапоромер; 19 — П-регулятор; 20 — фиксатор нулевого порядка