Курс «Инженер по расчету и выбору регулирующей арматуры»

На рисунке 1.6. показаны результаты теста для очень «трущейся» регулирующей арматуры.

Рис.1.6. Статическая мертвая зона и разрешение арматуры с чрезмерным статическим трением

Результат чрезмерного трения в замкнутом контуре системы это предельный контур и переменность процесса (см. рис. 1.7.) с примером предельного контура.

Рис.1.7. Предельный цикл

Обратим внимание на контур переменного процесса на рисунке 1.7. и горизонтальную линию, которая была проведена над контуром переменного процесса в левой части графика. Арматура остаётся на одном уровне, а переменная процесса выше заданного значения. Интегральное (или сбросное) действие ПИ (пропорционально- интегрального) регулятора наращивает выход контроллера в попытке исправить ошибку до тех пор, пока в приводе не будет достаточно давления, чтобы преодолеть статическое трение. Это связано с тем, что динамическое трение ниже, чем статическое трение, и арматура быстро перемещается в новое положение. До того, как статическое трение преодолено, в приводе создалось достаточно давления, чтобы арматура перекрыла заданное положение, и новое значение переменной процесса теперь ниже заданного значения. В результате, действие сброса ПИ регулятора начинает линейно изменять выход контроллера в противоположном направлении в попытке исправить новую ошибку, но арматура снова остается в том же положении и не двигается, пока в приводе не будет создано достаточно давления для преодоления статического трения. Результатом является «Предельный цикл».

Характерной чертой предельного цикла является то, что переменная процесса способна колебаться в приближенной «квадратной» форме волны, а выходной сигнал контроллера колеблется в виде волны формы «зубьев пилы». Настройка контура изменит период предельного цикла, но не устранит его. Единственным решением для предельного цикла, вызванного регулирующей арматурой, является ремонт или замена арматуры.

Еще одной важной мерой качества регулирования и совершенства регулирующей арматуры является скорость реакции на шаг изменения в управляющем сигнале. Это «динамический» тест, так как он определяет, что арматура делает, пока она движется, и все движение записывается.

На рисунке 1.8. представлена типичная реакция арматуры на ступенчатое воздействие в заданной точке.

Рис. 1.8. Типичная реакция регулирующей арматуры на ступенчатое воздействие управляющего сигнала

При ступенчатом воздействии будет некоторый "простой" (Td, от англ. dead time), прежде чем будет произведено движение рабочего органа арматуры. При этом может возникать перерегулирование.

В прошлом два параметра обычно использовались для измерения скорости реакции, T63, время, необходимое для арматуры, чтобы среагировать на 63 % от общей реакции, и T98, время, необходимое для арматуры, чтобы достичь 98 % от ее окончательного положения.

T63 был выбран как эквивалент постоянной времени системы первого порядка. Термин «постоянная времени» не использовался, потому что реакция регулирующей арматуры редко бывает первого порядка. Реакция первого порядка с T86 (две постоянные времени) и временем установления, аналогично T86 и времени установления отклика арматуры, нужны для того, чтобы определить, что реакция арматуры не первого порядка.

ISAS75.25.01, «Процедура измерения реакции регулирующей арматуры ступенчатое воздействие» теперь использует один параметр – T86, что соответствует двум постоянным времени системы первого порядка. Обратите внимание, что T86 измеряется от времени изменения шага в управляющем сигнале.

Скорость реакции регулирующей арматуры также является проблемой. На рисунках 1.9. и 1.10 показан отклик системы первого порядка, которая имеет постоянную времени равную 10 секунд, то есть процесс, который реагирует на протяжении 63% полной реакции за 10 секунд.

Рис. 1.9. Реакция процесса с 10-секундной постоянной времени при управлении значением 10-секундной постоянной времени

Рис. 1.10. Реакция процесса с 10-секундной постоянной времени

при управлении значением 1-секундной постоянной времени

Хотя реакция регулирующей арматуры обычно более сложная, чем первого порядка, допустимо, для сравнения эффекта арматуры с различными скоростями, рассматривать их как системы первого порядка. Если бы 10-секундная система контролировалась арматурой с 10-секундной постоянной времени, общий отклик будет выглядеть так, как показано на рисунке 1.9. Объединенный отклик намного медленнее, чем то, на что способен сам процесс. Когда тот же 10-секундный процесс управляется арматурой с постоянной времени в 1 секунду, как показано на рисунке 6, объединенный отклик почти так же быстр, как скорость, с которой бы процесс мог реагировать с бесконечно быстрой арматурой. Как правило, арматура, которая в пять раз быстрее, чем сам процесс, будет иметь небольшой эффект в замедлении процесса реагирования настолько быстро, насколько это возможно.

Ниже приведены некоторые рекомендации для арматуры в процессах, где требуется очень хорошее управление:

1. Разрешение (Сцепление/ трение покоя): <= 0,5%

2. Мертвая зона: <= 0,5%

3. Скорость реакции:

А) Быстрые контуры:

1. Td арматуры <= 20% от требуемой постоянной времени процесса с обратной связью

2. T86 арматуры <= 40% от требуемой постоянной времени процесса с обратной связью (это эквивалентно тому, что арматура должна быть в пять раз быстрее желаемого времени реакции процесса с обратной связью.)

3. Время установления арматуры <= чем желаемая требуемая постоянная времени процесса с обратной связью

Б) Медленные контуры: не важны

4. Ступенчатое перерегулирование: максимум 20%.

Поскольку арматура достигает 86 % от ее общей реакции за 2 секунды, и желаемая реакция процесса должна достичь 86 % от ее общей реакции за 10 секунд, это равносильно тому, что арматура в пять раз быстрее, чем желаемое время реакции процесса.

20% перерегулирования означает 20% размера шага. Например, перерегулирование на 10% не должно превышать 2% шкалы. Рекомендации для T86 соответствует с предложениями в техническом отчете арматуры ISA – TR75.25.02.

На рисунке 1.11 продемонстрировано, почему критерии скорости реакции имеют смысл.

Рис. 1.11. Реакция арматуры в сравнении с требованиями процесса

Это та же арматура, которая обсуждалась ранее, и она соответствует вышеуказанным рекомендациям для процесса, где желаемая постоянная времени обратной связи составляет 5 секунд.

Простой, который чуть ниже рекомендуемых 20% от желаемой постоянной времени обратной связи, означает, что он закончился вовремя, чтобы иметь небольшое влияние на общую реакцию процесса.

Арматура достигает 86% своего полного хода только после 40% от желаемой постоянной времени обратной связи. Можно увидеть, что арматура намного впереди, когда процесс должен достичь 63% от его окончательного значения, и даже дальше, когда процесс должен достичь значения своих двух постоянных времени (86%). Так как арматура достигает 86% своей полной реакции в течение 2 секунд, и желаемый отклик процесса должен достичь 86% от общей реакции за 10 секунд, это эквивалентно тому, что арматура в пять раз быстрее, чем требуемое время отклика процесса.