Требование снизить издержки вносит также свой вклад в изменение технологических схем. Использование вторичного тепла приводит к замыканию водооборота с подогретой водой, например, замыкание подсеточной и осветленной воды на подпитку, разбавление или гидроразбиватель.
1.1. Развитие технологических схем картоно и бумагоделательных машин
Стадия 1
На первом этапе развития в соответствии с (1) технологические схемы, как правило, были простыми, не требовавшими какого-либо регулирования и выполнялись вручную. Все процессы поддавались ручному управлению и регулированию. Сушильные секции обогревались паром с низким избыточным давлением. Открытые конструкции позволяли легко обслуживать машину.
Повышение скорости до 80м\мин поставило вопрос о начале регулирования, особенно с появлением напорного ящика с гидростатическим напором, позволившим существенно повысить скорость и качество истечения суспензии из выпускной щели.
Повышение скорости до 100м\мин привело к усложнению конструкции размольно-подготовительного отделения (РПО) и машины, поставило вопросы о безотказности и ремонтопригодности в целом, т.к. потери продукции из-за внезапных остановов и выходов из строя отдельных компонентов и неудобства их ремонта стали ощутимыми. Число рабочих резко сократилось, и их функции ограничились управлением процессами, наблюдением за постоянством количества и качества производимого продукта, ручным регулированием пуска и останова машин.
С интенсификацией технологического процесса потери непрерывности процесса и простои становятся недопустимыми, начинают исключаться холостые движения рабочих органов машины. В условиях возрастающей мощности возникает новая задача синхронизации и взаимоувязки регулирующих воздействий. Если раньше в РПО производство было дискретным, то с появлением мельниц оно также стало непрерывным. Для его реализации в целом предусматривается множество компенсирующих баков и емкостей, поскольку они позволяли снять проблемы в увязке и взаимовлиянии контуров и циркуляционных участков в поддержании стабильности процесса. Этап 1 закончился полной реализацией непрерывности технологического процесса.
Стадия 2
Возможности автоматического управления приводом, сеткой и др. создали предпосылки для повышения скорости истечения массы на сетку БДМ. Рос диаметр проходных сечений в регулирующих контурах, возникло понимание необходимости управлять расходными характеристиками и определять пропускную способность регулирующих органов. Скорости начали достигать свыше 500м\мин.
В технологических схемах начали появляться дополнительные подсистемы, позволяющие регулировать гидростатический столб жидкости. К этому же времени относятся и изменения конструкций напорных ящиков, гауч-прессов, изобретение и установка отсасывающего вала, что дополняло технологические схемы новыми контурами регулирования. Возникли новые задачи подачи красителей, клея, водоподготовки и т.п., реализуемые все новыми и новыми контурами регулирования.
При достижении скорости свыше 500м\мин появились трудности со снижением вибрации, динамических пульсаций, ростом диаметров трубопроводов и размерами регулирующих клапанов.
На этой стадии развития БДМ совершенствовались автоматические системы регулирования технологического процесса формования и обезвоживания полотна, непрерывного поддержания системы в работоспособном состоянии. Повышение скорости и удельных показателей работы сеточного стола уже достигалось не увеличением его длины, а путем интенсификации технологических процессов и повышения его удельной энергоемкости.
Появляются развитые вакуумные системы в связи с ростом применения прессов с нижними отсасывающими валами на подшипниках качения. Применяются новые конструкции отсасывающих валов, спрыски высокого давления из нержавеющей стали вместо бронзы.
В сушильной части вместо открытых конструкций появляется закрытый привод с централизованной циркуляцией смазки. Вся сушильная часть закрывается колпаком для утилизации и рекуперации тепла. Из-за тяжелых условий обслуживания развитие получают автоматические системы пароснабжения, отвода конденсата, централизованной смазки, эвакуации паровоздушной смеси и вентиляции, управления движением и кондиционированием сукон. Вместе с механизацией процессов на машине (заправка полотна, подъема валов и т.п.) все чаще применяются пневмосистемы, поскольку широкое развитие получают компрессорные станции с развитием систем подачи «силового» воздуха. Появляются системы подачи и охлаждения валов паром и водой.
Надежность повышалась путем отработки конструкций регулирующих органов, применением резервирования, динамизации процессов. Реализация обеспечивалась разработанными для этих целей средствами регулирования. Развитие обеспечивающих и вспомогательных процессов, переход к автоматическому регулированию технологических операций, широкое включение все новых и новых контуров регулирования и регулирующих органов стали содержанием этого этапа.
С ростом скорости до 500м\мин потребовалось увеличить и существенно улучшить качество подготовки бумажной массы перед ее подачей в напорный ящик. По этой причине значительные изменения начали происходить в технологических схемах размольно-подготовительного отделения (РПО).
Усовершенствования происходили по следующей схеме:
Появление оборудования для очистки суспензии от грубых включений и твердых частиц, (песочницы, циклоны, центробежные очистители).
Применение оборудования для сортирования и очистки суспензии от легких включений: (узлоловители, сортировки с ситами).
Расширение применяемых схем с гидростатическим и гидродинамическим напором, применение оборудования для создания вакуума и обвязка их более сложными и надежными регулирующими устройствами.
Контуры регулирования обвязывали как каждый отдельный элемент технологической схемы, так и вспомогательные элементы.
Начинают выделяться контуры регулирования, наиболее сильно влияющие на технологический процесс (специализированные и критические контуры регулирования).
Из задач регулирования становится значимой задача синхронизации работы различных узлов при высокой скорости протекающих процессов. Если до 1940г. машины практически не оснащались системами автоматического регулирования и автоматизации, то далее начинается их бурное внедрение.
Усложнение конструкций машин при росте скорости и производительности привело также и к увеличению возможности отказов и возрастанию экономических потерь. Эти факторы были основными причинами усиленного внимания к решению проблемы безотказности и ремонтопригодности БДМ (2), что привело к необходимости изменений в обслуживании и ремонте машин. На регулирующих клапанах и арматуре это отразилось тем, что они должны были быть более надежны и ремонтопригодны.
Основной мерой реализации надежности технологического процесса оставалось резервирование, обеспечивающее неразрывность протекания массы при каких-либо сбоях. Достаточно много было и открытых контуров, выбрасывающих использованные ресурсы из процесса. Ярким примером может быть оборотная вода, осветленная вода, сточные воды и т.п.
С развитием модульности конструкций и требований легкости монтажа и демонтажа стали чаще применяться компактные, легкие клапаны и арматура. В качестве примера можно сказать, что по возможности происходила замена шиберных задвижек на поворотные заслонки.
На втором этапе также зародилась и система технического обслуживания и ремонта, имеющая прямое отношение к клапанам и арматуре. Начали выделяться специализированные участки ремонта измерительных приборов и автоматизации. Однако, уровень унификации, при котором можно было бы не только заменять, но и модернизировать или обеспечивать обновление конструкции, еще не был достигнут. В связи с этим задачи ремонтопригодности и связанные с ними задачи блочности и модульности решений, унификации, взаимозаменяемости и преемственности в развитии решений остаются актуальными. Важной задачей становится и определение ресурсов безотказной работы, как в связи с надежностью работы в целом, так и надежности регулирования. На этой стадии решение виделось в создании системы планово-предупредительного ремонта (ППР) и норм технического обслуживания (ТО).
На заключительной стадии второй этап характеризовался совершенством механической части машин, внедрением новых машин и устройств. Процесс управления машиной обогатился приборами, автоматическими регуляторами, позволяющими вести дистанционное управление и автоматическое регулирование. Основной движущей силой развития контуров регулирования являлись: интенсификация процессов, повышение требований к обеспечению надежности регулирования и безотказности, усложнение технологических схем, рост единичной мощности, особенно быстродействия, выход на предел скорости 600-650м\мин.
Стадия 3
Для повышения скорости машин свыше 600м\мин необходимо было решить ряд взаимосвязанных задач. Наибольшее влияние на развитие контуров регулирования оказали задачи улучшения подачи бумажной массы на сетку, т.н. «мокрый конец» и интенсификация сушки полотна. В это время появляется более надежный клапан регулирования веса м2 с тонким пошаговым регулированием вместо обычных клапанов, применяемых в измерительных контурах регулирования. Количество шагов регулирования начало достигать 3000 (3). Стабильно достижимое регулирование стало возможным при скорости до 900м\мин.
Обнаружилась невозможность качественного обезвоживания и формования полотна при скорости свыше 600м\мин вследствие возрастающего разрежения в сбегающем клине регистрового валика и подскока суспензии над сеткой после каждого валика из-за гидравлического удара от прорыва воздуха в разреженные полости сбегающего клина. Произошла замена на обезвоживающие элементы, позволяющие плавно регулировать процесс обезвоживания (гидропланки, отсасывающие ящики). К важным контурам регулирования с повышенными требованиями к точности регулирования добавилась система контуров отсасывающих ящиков.
Надо сказать, что и каждый новый сорт бумаги добавлял к технологическим схемам новые требования к регулированию и контурам регулирования. Добавки химикатов, формирование новых композиций, изменение состава сырья отражались на технологических схемах появлением, как новых циклов, так и обслуживающих их все более специализированных контуров регулирования.
В размольно-подготовительном отделении (РПО) особенное развитие получило применение очистителей различных модификаций, включая очистители высокой концентрации, закрытые узлоловители с гидродинамическими лопатками, сита, декулаторы и вакуумные вихревые очистители, вакуум-компрессоры. Обслуживание и регулирование работы этих элементов зависело и от качества регулирующих органов.
В настоящее время БДМ имеет свыше 350 систем контроля, регулирования и дистанционного управления. Требование к точности поддержания заданных параметров и их количество постоянно возрастали, и потребовалась автоматизация управления процессами с применением принципов сочетания многих взаимосвязанных параметров. В первую очередь стали появляться автоматизированные системы с централизованным контролем и управлением.
Другой важной задачей стало устранение потерь производительности вследствие неэффективных режимов работы машины. Большая скорость машины требует оперативного вмешательства и регулирование множества взаимосвязанных параметров. Например, изменение скорости машины одновременно требует изменения напора в напорном ящике, изменения количества волокнистой массы, поступающей в смесительный насос и т.д. Система простых регуляторов уже не справляется с этой задачей и происходит переход на более совершенную ступень автоматизации, когда управление ведется в зависимости от сложившейся ситуации.
На третьей стадии заметно проявляется тенденция к вбиранию в себя и увязке всех участков непрерывного потока, который объединяет в себе бумагоделательная машина. Создается непрерывный, с жесткими связями производственный поток, включающий размол, сортирование, очистку, составление композиции и изготовление бумаги на машине. Все отдельные подсистемы регулирования централизуются и связываются с пультами управления машиной. Эти мероприятия повысили производительность труда и общую межцеховую производительность оборудования.
Регулирование на 3-й стадии переходит от коротких обратных связей, обеспечивающих поддержание только отдельных параметров процесса на многофакторные. В первую очередь рождается многофакторное управление, в частности, на регуляторе измерения веса м2 это управление осуществляется по уравнению баланса массы.
На этом же этапе проявилась тенденция к обработке информации в местах ее появления, без передачи на обработку в центральный компьютер. Следуя за тенденцией к переходу с «макро на микро уровень», читай от централизованной обработки информации к персональным и локальным решениям в области автоматизации, большее внимание стало уделяться таким элементам как повышение откликаемости регулирующих органов. Появляются развитые системы диагностики, как в составе АСУ ТП, так и отдельно по регулирующим клапанам и КИП. В тоже время появлялось все большее число настроечных параметров. Передаваемые сигналы по аналоговым кабелям не могли справиться с одновременными требованиями как к объему передаваемых данных, повышению точности сигналов и их помехозащищенности.
Решением стало появление и активное внедрение цифровых систем регулирования Profibus и Foundation Field Bus. С появлением таких шин уровень оцифровки впервые подошел к непосредственно регулирующему органу и исполнительным механизмам. Его воплощением стали, например, цифровые позиционеры ND9000 компании Metso Automation. В настоящее время объем использования полевых шин в мире уже превысил 12% с тенденцией к максимальному росту по сравнению с аналоговыми и аналого-цифровыми системами.
Чисто практической пользой в применении цифровых систем стала возможность накапливать и обрабатывать данные по работе контуров регулирования и регулирующих клапанов, их многофакторная обработка с возможностью применения специального программного обеспечения. Появились возможности включения системы автоматизации АСУ ТП в систему автоматизации предприятия АСУП и диспетчерского управления АСОДУ. Данные теперь не терялись, а своевременно могли быть обработаны, проанализированы и получены рекомендации о той или иной неисправности, спланированы ТО и ремонты, оформлена потребность в запчастях и т.д.
С развитием понимания процессов, протекающих при регулировании, и благодаря развитию цифровых систем, контур регулирования приобретает все большую автономность, способность оценивать протекание того или иного процесса, характерного для регулирования. Результатом становится переход контура от чисто измерительного к информационно–измерительному. Связи между элементами системы становятся все менее жесткими и все более информационными.
Однако выявилась и наиболее характерная проблема внедрения новых систем автоматизации. С повышением интеллектуализации и специализации даже таких стандартных элементов как регулирующие клапаны и другие устройства КИП возник диссонанс между значительным опережением уровня техники по отношению к возможностям обслуживающего персонала. Противоречие заключалось в том, что невозможно уследить за всеми новинками техники, а иметь высококвалифицированный персонал на все устройства экономически нецелесообразно. Кстати, с высокой скоростью морального устаревания систем автоматизации это и невозможно.
Что же делать? Выход нашелся в развившемся к этому времени в более прогрессивных отраслях систем удаленной диагностики и управления на основе более совершенных автоматических контуров. Внешнее сервисное обслуживание при этом проводится специалистами компании-изготовителя или сервисной компании. Технической основой являются цифровые контуры регулирования, совершенные алгоритмы систем автоматизации с возможностью управления, диагностики и самодиагностики исполнительных устройств. Системы также подразумевали переход от ППР на прогнозирующее обслуживание по результатам диагностики. Снижение затрат владельцев БДМ обеспечивалось бесперебойной работой оборудования, долговременной эксплуатационной надежностью и полным выполнением метрологических характеристик средствами регулирования и гарантиями со стороны сервисных компаний. Снижение затрат на сервисное обслуживание достигалось фиксированием базовой цены на обслуживание по нижнему пределу, возложением обязанностей по поддержанию работы оборудования, снижению объема потребления запчастей на сервисную компанию. В настоящее время уровень аутсорсингового сервисного обслуживания на современных предприятиях по всему миру достигает до 10-18%.