Выбор систем управления

Этот материал посвящён доступным вариантам автоматического управления (например, самодействующим, пневматическим или электрическим) и решениям, которые необходимо принять перед выбором. Рекомендации даются исходя из трёх важнейших критериев: безопасности, устойчивости и точности.

#Применение

Важно помнить о трёх базовых параметрах, рассмотренных в начале модуля 5.1: безопасность, устойчивость и точность. Чтобы правильно выбрать регулирующий клапан, необходимы сведения о применении и самом процессе. Например:

• Имеются ли требования по безопасности? Например, должен ли клапан в случае отключения питания открываться или закрываться в безопасное положение? Требуется ли отдельный контроль по верхнему и нижнему пределам?
• Какой параметр требуется регулировать? Например, температуру, давление, уровень, расход?
• Какова рабочая среда и её физические свойства? Каков расход?
• Каков перепад давления на регулирующем клапане во всём диапазоне нагрузок?
• Какие требуются материалы клапана и типы присоединений?
• Какой именно процесс регулируется? Например, теплообменник для отопления или технологических целей?
• Для регулирования температуры: фиксированная ли температура задания или переменная?
• Нагрузка постоянная или переменная, и если переменная, то какова скорость её изменения — быстрая или медленная?
• Насколько критична поддерживаемая температура?
• Требуется одноконтурное или многоконтурное управление?
• Должно ли управление выполнять какие-либо дополнительные функции? Например, обычное регулирование температуры в системе отопления, но с дополнительной защитой от замерзания в периоды отключения?
• Находится ли установка или процесс во взрывоопасной зоне?
• Является ли атмосфера или окружающая среда коррозионно-активной по своей природе, либо клапан будет установлен снаружи или в «грязной» зоне?
• Какой источник энергии доступен, например электроэнергия или сжатый воздух, и при каком напряжении и давлении?

#Источник энергии

Это источник мощности для работы системы управления и привода клапана или другого регулируемого устройства. Обычно это электричество, либо сжатый воздух для пневматической системы, либо комбинация обоих для электропневматической системы. Самодействующие системы управления не требуют внешнего источника питания; они вырабатывают энергию сами за счёт замкнутой гидравлической или парожидкостной системы. В некоторой степени особенности самого применения могут определять выбор источника энергии для управления. Например, если система управления находится во взрывоопасной зоне, пневматическое или самодействующее управление может быть предпочтительнее дорогостоящих искробезопасных или взрывозащищённых электрических / электронных систем. Ниже приведены общие комментарии по различным вариантам источников энергии:

#Самодействующие системы управления

Преимущества:

• Прочные, простые, устойчивые к неблагоприятным условиям.
• Просты в монтаже и пусконаладке.
• Обеспечивают пропорциональное управление с очень высокой диапазонностью регулирования.
• Выпускаются исполнения, которые открываются или закрываются в аварийное положение при недопустимом превышении температуры.
• Безопасны для использования во взрывоопасных зонах.
• Требуют сравнительно небольшого технического обслуживания. Недостатки:
• Самодействующие регуляторы температуры могут реагировать сравнительно медленно, а интегральная и дифференциальная функции для них недоступны.
• Данные не могут передаваться повторно.

#Пневматические системы управления

Преимущества:

• Прочные.
• Работают очень быстро, что делает их подходящими для процессов, в которых технологические переменные быстро меняются.
• Приводы могут обеспечивать большое усилие на закрытие или открытие, позволяя управлять клапанами при высоких перепадах давления.
• Использование позиционеров клапана обеспечивает точное и повторяемое управление.
• Чисто пневматические системы являются искробезопасными, а приводы работают плавно.
• Можно без дополнительных затрат и сложностей реализовать аварийное открытие или закрытие. Недостатки:
• Необходимая система сжатого воздуха может быть дорогой в установке, если на объекте ещё нет подачи воздуха.
• Может потребоваться регулярное техническое обслуживание системы сжатого воздуха.
• Базовый режим управления — on/off или пропорциональный, хотя существуют комбинации P+I и P+I+D, но обычно они дороже эквивалентной электронной системы.
• Монтаж и пусконаладка в целом просты и носят механический характер.

#Электрические системы управления

Преимущества:

• Очень точное позиционирование.
• Контроллеры доступны в широком разнообразии: с режимами on/off, комбинациями P+I+D и многофункциональными выходами. Недостатки:
• Электрические клапаны работают сравнительно медленно, поэтому не всегда подходят для быстро изменяющихся параметров процесса, например для регулирования давления при быстро меняющейся нагрузке.
• Монтаж и пусконаладка требуют участия как электротехнических, так и механических специалистов, а также учёта затрат на проводку и отдельный источник питания.
• Электроприводы обычно работают менее плавно, чем пневматические. Для функций аварийного открытия или закрытия требуются пружинные возвратные приводы: это может существенно снизить доступное усилие закрытия, и такие приводы обычно стоят дороже.
• Для применения во взрывоопасных зонах необходимы искробезопасные или взрывозащищённые электрические системы управления; это дорогое решение, поэтому может потребоваться пневматический или электропневматический вариант, описанный ниже. Для таких опасных зон также требуются специальные методы монтажа.

#Электропневматические системы управления

Преимущества:

• Электропневматические системы могут объединять лучшие качества электронных и пневматических систем. Такие системы могут состоять из клапанов с пневматическим приводом, электрических / электронных контроллеров, датчиков и систем управления, а также электропневматических позиционеров или преобразователей. Такое сочетание обеспечивает усилие и плавность работы пневматического привода / клапана вместе со скоростью и точностью электронной системы управления. Аварийное открытие или закрытие может быть реализовано без дополнительной ценовой надбавки, а за счёт использования соответствующих барьеров и / или размещения электрической / электронной части системы управления в «безопасных» (неопасных) зонах такие системы пригодны и там, где требуется искробезопасное решение. Недостатки:
• Требуются и электрическое питание, и сжатый воздух, хотя в промышленной среде это обычно не является проблемой. При рассмотрении применения и необходимого источника энергии нужно учитывать три важных фактора:
• изменения нагрузки;
• критично ли заданное значение или нет;
• требуется ли изменять заданное значение. Диаграммы на рисунках 5.4.1 и 5.4.2 помогают это пояснить.

#Какой тип управления следует устанавливать?

Для разных применений могут требоваться разные типы систем управления. Самодействующие и пневматические системы могут использоваться при достаточно медленных изменениях нагрузки и если допустимо смещение, в противном случае следует применять электропневматические или электрические системы. На рисунке 5.4.3 показаны некоторые применения и рекомендации по тому, какой метод управления может быть приемлемым.

#Типы клапанов и приводов

Тип привода определяется выбранным источником энергии: самодействующий, электрический, пневматический или электропневматический, а также требуемыми точностью регулирования и скоростью привода. Что касается выбора клапана, то для пара как рабочей среды выбор ограничен двухходовым клапаном. Однако если средой является вода или другая жидкость, можно выбирать между двухходовым и трёхходовым клапаном. Их основные эффекты на динамику трубопроводной системы уже рассматривались ранее. В водяных системах обычно именно применение определяет, будет ли трёхходовой клапан использоваться для смешения или для перенаправления потоков жидкости. Если изменения давления в системе при использовании двухходовых клапанов допустимы, то их преимуществами по сравнению с трёхходовыми будут более низкая стоимость, простота и менее дорогой монтаж. Выбор двухходовых клапанов также может позволить использовать присущее системе изменение давления для поочерёдного включения насосов либо для уменьшения или увеличения производительности насоса с переменной скоростью в зависимости от нагрузки. При выборе конкретного клапана необходимо учитывать все факторы, рассмотренные ранее, включая материал корпуса, допустимые пределы давления / температуры, требуемые присоединения и правильный метод подбора размера. Также необходимо убедиться, что выбранная комбинация клапана и привода сможет работать против перепада давления, возникающего во всех режимах нагрузки. (Перепад давления в паровых системах обычно принимают равным максимальному абсолютному давлению пара перед клапаном. Это позволяет учесть возможность наличия за клапаном пара при давлении ниже атмосферного).

#Контроллеры

Вопросы безопасности всегда имеют первостепенное значение. При отказе питания должен ли клапан перейти в безопасное открытое или безопасное закрытое положение? Должен ли регулятор работать по прямому принципу (выходной сигнал контроллера растёт с увеличением измеряемой переменной) или по обратному принципу (выходной сигнал контроллера падает при увеличении измеряемой переменной)? Если применению требуется только режим on/off, контроллер может вообще не понадобиться. Двухпозиционный привод может управляться переключающим устройством, например реле или термостатом. Если же требуется гибкость, необходима многофункциональность электронного контроллера: возможно, с регулированием температуры и времени, многоконтурностью, несколькими входами / выходами. После того как определено, что контроллер нужен, необходимо решить, какое действие управления требуется: например on/off, P, P I или P I D. Выбор зависит от динамики процесса и типов отклика, рассмотренных ранее, а также от требуемой точности регулирования. Прежде чем идти дальше, полезно определить, что именно понимается под «хорошим управлением». Простого ответа на этот вопрос нет. Рассмотрим различные отклики на изменение нагрузки, показанные на рисунке 5.4.4.