Выбор привода с достаточным крутящим моментом, чтобы вставить и вытащить клапан из седла, решение должно быть основано на нижнем крутящем моменте в конце хода. Например, если клапан должен быть пружинно-закрывающим, то привод выбирается исходя из крутящего момента на конце хода пружины для обеспечения того, чтобы привод мог надёжно закрыть клапан. Для клапана, который должен быть "пружинно-открывающим", конец крутящего момента хода при подаче воздуха – это то, что должно быть использовано при выборе привода.
Рис. 1.3. Кривая вращательного момента пружинно-возвратного привода с механизмом преобразования движения шарнирно- коленчатого вала
В течение многих лет производители арматуры публиковали таблицы размеров клапана, перепада давления в процессе и размер привода, чтобы помочь пользователям выбрать подходящий привод для конкретного применения. В общем, эти таблицы часто приводят к удовлетворительной производительности привода, но теперь производители клапанов стали разрабатывать программное обеспечение для определения размеров приводов, которое включает в себя математический анализ геометрии привода, геометрию клапана и анализ динамических процессов, действующих на клапан, чтобы точно рекомендовать лучший привод для конкретного клапана и процесса.
На рисунке 1.4 показаны результаты компьютерного анализа подбора параметров размера клапана, геометрия привода и динамика процесса, воздействующая на клапан. На основании условий процесса, типа и размера клапана, программа рассчитывает процент хода клапана при каждом заданном состоянии потока, или, как в данном примере, хода клапана в диапазоне от 21,4 до 74,1% (см. ячейки, пронумерованные 1, 2 и 3 на рис. 1.4). На основании условий процесса и конструкции клапана (ячейка 4) программа рассчитывает необходимый вращающий момент посадки и сброса на седло (вставка 6). Также вычисляется вращающий момент, необходимый для малой регулировки открытия и закрытия дроссельной заслонки на каждой из данных точек условий процесса (Вставка 7).
Рис. 1.4. Программа анализа геометрии клапана и привода и силовые процессы, происходящие в клапане
Используя вычисленную кривую выходного крутящего момента для выбранного привода, программа вычисляет коэффициенты нагрузки при посадке и выхода с седла и дросселирующей нагрузке. Коэффициент нагрузки определяется как процент от доступного крутящего момента привода в процентах перемещения, которое требуется для перемещения клапана.
В связи с постоянным развитием промышленных процессов, инструменты для поддержания и регулирования этих процессов продолжают развиваться. Эффективность и прибыльность зависит от правильности определения и установки технологических элементов, таких как регулирующая арматура и приводы. Как и следовало ожидать, инструменты, используемые для подбора правильных размеров, будут продолжать развиваться вместе с этой системой.
1.2. Вариабельность процесса
Как управлять качеством продукции и надежностью работы регулирующих клапанов через обеспечение устойчивости процесса? Вариабельность, которую также называют переменностью или колебательностью процесса, относится к любому нежелательному изменению того, что оператор контролирует – расход, давление, температура, уровень и т.д. Причиной, по которой важно, чтобы эти управляемые переменные существенно не менялись, является то, что они могут повлиять на изменения в свойствах или качестве конечного продукта.
Если есть проблема отклонений и колебательности, есть несколько способов решения этой проблемы. Одна стратегия состоит в том, чтобы продукт превосходил технические требования. Например, мельчайшие просветы на рулоне бумаги создают большие проблемы при продажах. Проблема заключается не в том, чтобы раздавать бесплатный продукт, поскольку на современном конкурентном рынке большинство не может себе этого позволить, а держать процесс в наиболее устойчивом состоянии с минимальной колебательностью процесса.
Если производится некачественный продукт, то его нужно, либо продавать за меньшие деньги, переработать (например, пропустить углеводородное сырье обратно через колонну или реактор, или повторно произвести рулон бумаги из брака), что требует энергии и времени и, следовательно, это дорого, или продать с потерей прибыли. Если клиент обнаруживает, что приобрёл некачественный товар, он начнет покупать у кого-то другого.
Другим потенциальным результатом чрезмерной колебательности процесса является то, что для того, чтобы сделать приемлемый продукт, среднее количество израсходованного сырья должно быть сокращено. Существует также возможность создать дополнительную нагрузку на регулирующую арматуру, другие виды арматуры или другое технологическое оборудование, которое может привести к излишнему техническому обслуживанию и незапланированным простоям. В любом случае, колебательность процесса может стоить денег.
Есть ряд вещей, которые могут вызвать чрезмерную переменность процесса, включая следующие:
– Состав поступающего сырья
– Состав входящих компонентов
– Технологическое оборудование
– Управление процессом проектирования
– Неадекватное смешивание / перемешивание
– Неэффективная настройка контуров управления
– Неправильно выбранные или плохо работающие регулирующие арматуры.
Конечные пользователи обеспокоены всеми пунктами этого списка, но для нашего обсуждения будет рассмотрен последний.
Примерно в половине случаев существует проблема колебательности, это может прослеживаться до регулирующей арматуры. Для хорошего управления требуется арматура, которая:
– Имеет пропускную способность, соответствующую процессу
– Правильного размера
– Имеет хорошие статические и динамические характеристики.
Важно выбрать арматуру с действительными характеристиками, которые соответствует процессу и правильно подобрать размер (номинальный диаметр) арматуры. Неправильно выбранная действительная пропускная характеристика приведет к нелинейной установленной расходной характеристике в трубопроводе. Результатом будет система, которую будет сложно или невозможно настроить для быстрого и стабильного отклика во всем требуемом диапазоне расхода. С другой стороны, правильно выбранная действительная пропускная характеристика даст линейную или почти линейную установленную пропускную характеристику, облегчая настройку системы для быстрого и стабильного отклика во всем требуемом диапазоне расхода.
Кроме того, регулирующие клапаны с большими номинальными диаметрами по сравнению с расчетными, имеют проблемы с точным корректированием потока до желаемой скорости. Предположим, что два клапана имеют одинаковое применение. В этом случае арматура правильного размера сможет регулировать расход с меньшими приращениями (по сравнению с габаритной арматурой) и, следовательно, сможет контролировать расход точнее.
Работа регулирующей арматуры также оказывает значительное влияние на переменность процесса. Самыми важными мерами производительности являются разрешение (или чувствительность), мертвая зона и скорость реакции.
Пример типичного теста мертвой зоны и разрешения показан на рисунке 1.5. «Трущееся» поведение арматуры часто воспринимается как плохая страгиваемость и определяется трением покоя. Это результат взаимодействия между трением в статике и динамическим трением. Статическое трение обычно намного выше, чем динамическое трение.
Рис.1.5. Типичный результат теста статической мертвой зоны и разрешения
В результате арматура держится на месте, пока приводом не будет создано достаточное усилие, чтобы преодолеть статическое трение, затем арматура быстро перемещается в другое положение. Разрешение (шаг) является мерой наименьшего движения, на которое способна арматура, двигаясь в одном направлении. Это называется статическим тестом, потому что всегда нужно ждать достаточно долго после каждого шага для любого возможного движения. Измерения не снимаются во время движения арматуры, но записывается только статическое положение арматуры после того, как она остановилась.
Сигнал управления представлен в виде ступени в одном направлении с очень маленькими ступеньками. После каждого шага есть период ожидания, чтобы убедиться, что у арматуры есть время сделать какое-либо движение, которое она собирается сделать перед началом следующего шага. Наблюдая за количеством шагов управляющего сигнала, которые необходимы, чтобы сделать движение, можно заметить, насколько чувствительна арматура, обычно это называется «разрешением».
После нескольких шагов в одном направлении, направление шагов меняется. Наблюдая за количеством шагов, которое требуется для инициирования, реверсирование движения арматуры определяет, что такое мертвая зона.
В этом примере размер шага составляет ¼%. В том же направлении эта арматура реагирует на каждый ¼% шаг, поэтому он имеет чувствительность или «разрешение» не менее ¼%. Это занимает два шага ¼% после смены направления для того, чтобы арматура начала двигаться в обратном направлении, так что эта арматура имеет мертвую зону не более чем ½%. Мертвая зона обнаруживается в процессе как простой, который дестабилизирует управление. Обратите внимание, что шкалы входа и положения различны, так что два графика будут легче отличаться друг от друга.
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