Автоматические регуляторы и устройства с расширенными функциональными возможностями

Введение 

Для построения автоматической системы регулирования (АСР) и АСУ ТП используются обычно регуляторы, реализующие стандартные нелинейные (позиционные) и линейные ПИ-, ПИД-законы управления (пропорционально-интегральное и пропорционально-интегральное-дифференциальное регулирование). При создании более совершенных систем требуется (помимо усложнения закона управления) расширить функциональные возможности регуляторов, к которым относятся: 

• безударное включение регулятора при переходе с дистанционного (ручного) режима управления на автоматический и наоборот, а также с внешнего задания на внутреннее и наоборот при супервизорном управлении [1, 2];
• коррекция выходного сигнала регулятора в автоматическом режиме – реализация режима обхода автоматики или пересиливания автоматики [2];
• ограничение отдельных составляющих выходного сигнала регулятора по верхнему и нижнему уровням (пределам) и защита их от насыщения [2, 3].

Регуляторы с безударным переключением режимов работы

Структурная схема одного из таких регуляторов представлена на рис. 1. 

Условные обозначения: U – выход сумматора регулятора; U_вых – выход регулятора; U_ру – сигнал ручного управления; ΔU – сигнал ошибки; П – пропорциональная часть регулятора (k_пε, где k_п – коэффициент пропорциональности, ε – входной сигнал регулятора); Д – дифференциальная часть регулятора; Σ – сумматор; П1 и П2 – спаренные переключатели (Р – ручной режим, А – автоматический режим); ИМ – исполнительный механизм; И – интегратор; ООС – отрицательная обратная связь; ЭС – элемент сравнения.

При переходе на ручное управление с помощью блока ручного (дистанционного) управления (БРУ) устанавливают U_ру = U_вых ≡ U. Затем спаренные переключатели П1 и П2 переводят в положение Р (ручной режим). После этого изменяют U_вых с помощью задатчика ручного управления U_ру.
В ручном режиме работы на вход интегратора И с выхода элемента сравнения ЭС поступает сигнал ошибки ∆U = U_вых – U, причём выход сумматора регулятора U теперь выполняет функции отрицательной обратной связи ООС, а выход регулятора U_вых является заданием для системы. Интегратор сводит ошибку ∆U к нулю. Поэтому выход U сумматора Σ (выход регулятора) следит за сигналом U_вых ≡ U_ру, поступающим к исполнительному механизму ИМ от блока БРУ. Выходные сигналы пропорциональной П- (k_пε, где k_п – коэффициент про­пор­циональности, ε – входной сигнал регулятора) и дифференциальной Д-частей регулятора в ручном режиме являются возмущающими воздействиями. Схема обеспечивает полностью безударный (мягкий) переход на автоматический режим, так как в ручном режиме работы регулятора равны все переключаемые сигналы: U = U_вых ≡ U_ру.

Регуляторы с коррекцией выходного сигнала в автоматическом режиме 

При автоматическом управлении объектами, подверженными действию значительных возмущений, часто требуется оперативно корректировать выходной сигнал регулятора. Например, если о нарушениях технологического процесса известно заранее или ещё до начала изменения регулируемых параметров, то желательно давать упреждающие воздействия на исполнительные механизмы, что позволяет резко улучшить качество регулирования [2].
Некоторые регуляторы имеют кнопочное ручное управление (рис. 2), которое позволяет также реализовать так называемый режим обхода автоматики или пересиливания автоматики, если нажимать кнопки «Больше» и «Меньше» в автоматическом режиме управления.

Условные обозначения: k_п – коэффициент пропорциональности; ε – входной сигнал регулятора; Σ – сумматор; И-звено – интегратор; +U₀ – верхний уровень питания; –U₀ – нижний уровень питания. Так как при переводе в автоматический режим используется тот же интегратор, то сразу после переключения выходной сигнал регулятора сохраняется и обеспечивается безударный переход.

Предложены схемы регуляторов с коррекцией в автоматическом режиме, у которых в интегральном звене создаётся по команде «Больше» или «Меньше» соответствующий перепад +∆ или –∆ (вместо максимально возможных уровней сигналов: +U₀ – верхний или –U₀ – нижний уровень питания на рис. 2 ). В результате выход интегратора меняется с постоянной скоростью, что приводит к соответствующему изменению выходного сигнала регулятора. Команды «Больше» и «Меньше» можно подавать сразу на несколько таких регуляторов.
Таким образом, у регуляторов с коррекцией можно оперативно изменять выходной сигнал в автоматическом режиме без трудоёмкого перевода системы регулирования на дистанционное или ручное управление и таким образом реализовать режим обхода автоматики или пересиливания автоматики. Оперативное вмешательство в работу регулятора (и особенно регуляторов) при различных возмущениях технологического режима позволяет повысить динамическую точность процессов управления [24].

Блоки предварения и дифференцирования с ограничениями выходных сигналов и защитой от насыщения

В устройстве (блоке) прямого предварения (рис. 3) с защитой от насыщения (БПЗН), содержащем элемент сравнения 1, усилитель 2 с коэффициентом К_д, сумматор 3, при превышении выходным сигналом Р_вых установленных пределов срабатывает блок сигнализации БС и в инерционной части 4 прибора с помощью переключателя структуры ПС устанавливается малая постоянная времени Т_д*, близкая к нулю.

Условные обозначения: 1 – элемент сравнения; 2 – усилитель (коэффициент усиления К_д); 3 – сумматор; 4 – инерционная часть прибора; БС – блок сигнализации; Р_вх – входной сигнал БПЗН; Р_вых – выходной сигнал БПЗН; ПС – переключатель структуры; Т_д* – постоянная времени, близкая к нулю; Р_огр – ограничиваемый параметр; Т_д – постоянная времени; Р_к – команда; Р_н и Р_в – допустимые пределы выходного сигнала БПЗН (нижний и верхний пределы соответственно); Р_ин – значение выхода инерционного звена; p – входной параметр инерционного звена.

При большой скорости изменения входного сигнала выход БПЗН (ограничиваемый параметр Р_огр) вследствие переключений постоянной времени Т_д по команде Р_к удерживается (в режиме, близком к скользящему) на границе допустимых пределов Р_н и Р_в (нижний и верхний пределы соответственно) [2, 3].
Временны́е диаграммы, поясняющие работу БПЗН и (для сравнения) обычного линейного, приведены на рис. 4.

Условные обозначения: 1 – с защитой от насыщения; 2 – без защиты от насыщения; 3 – входной сигнал БПЗН P_вх; 4 – выход инерционного звена Р_ин; Р₀ – начальное значение входного сигнала; Р_вых – выходной сигнал БПЗН; Р_н и Р_в – допустимые пределы выходного сигнала БПЗН (нижний и верхний пределы соответственно); Р_ин – значение выхода инерционного звена; +Р_пит, –Р_пит – верхний и нижний уровень питания; τ₁ или τ₂ – время выравнивания выхода инерционного звена и Р_вх.

Для упрощения принято, что у обоих блоков усилитель имеет бесконечный коэффициент передачи К_д, что не снижает общность изложения. При большой скорости изменения входного сигнала 3 (Р₀ – его начальное значение) выходной сигнал 1 БПЗН сразу становится равным верхнему пределу Р_в, а выходной сигнал 2 обычного блока становится равным значению уровня питания +Р_пит.
После того как изменение входного сигнала 3 прекращается, выходной сигнал 1 БПЗН сразу становится равным Р_вх, а выходной сигнал 2 обычного блока остаётся равным значению уровня питания все время τ1 или τ2, пока значение выхода 4 инерционного звена Р_ин (Рин изменяется по экспоненте) не сравняется со значением Р_вх. Таким образом, из рис. 4 видно, что применение узла защиты от насыщения позволяет устранить запаздывание в работе устройства предварения, которое может быть значительным при большом значении постоянной времени предварения и при малых значениях уровня питания Р_пит.

Фильтры с защитой от насыщения

В устройствах для фильтрации сигналов защита от насыщения заключается в том, чтобы абсолютная величина разности входных и выходных сигналов не превышала амплитуды помехи. Если действует высокочастотная помеха с постоянной амплитудой, то задачу защиты от насыщения относительно просто можно решить, применяя фильтры с переменной структурой (ФПС).
На рис. 5  приведена схема такого фильтра ФПС, в котором при насыщении скачком уменьшается постоянная времени Т_ф инерционного звена 1 по аналогии с блоком предварения БП3Н (рис. 3). 

Условные обозначения: 1 – инерционное звено; 2 – переключатель структуры ПС; БС – блок сигнализации; Р_вх – входной сигнал ФПС; Р_вых – выходной сигнал ФПС; Т_ф* – постоянная времени фильтра, близкая к нулю; Р_огр – ограничиваемый параметр; Т_д – постоянная времени фильтра; Р_к – команда; p – входной параметр инерционного звена; Δ_n – зона нечувствительности блока БС.

При постоянном входном полезном сигнале, пока уровень помехи равен зоне нечувствительности ∆_n БС, выход Р_к = 0 блока сигнализации БС поступает на переключатель структуры (ПС) 2 и устанавливает в инерционном звене 1 бо́льшую постоянную времени фильтра Т_ф. Звено 1 отфильтровывает помеху, которая определяется с помощью БС как модуль разности |Р_вх – Р_вых|.
При подаче скачком полезного сигнала появится рассогласование (Р_вх – Р_вых), превышающее зону нечувст­вительности ∆_n блока БС, и на выходе БС формируется логический сигнал Р_к = 1, который, поступая на ПС, скачком устанавливает в звене 1 малую постоянную времени Т*_ф<<Т_ф. В результате скачок полезного сигнала пройдёт на выход звена 1, величина (Р_вх – Р_вых) снова будет соответствовать ширине зоны нечувствительности БС, выход Р_к которого примет значение логического нуля (Р_к = 0) и в звене 1 установит бо́льшую постоянную времени Т_ф. Инерционное звено будет вновь отфильтровывать помеху. При изменении полезного сигнала с большой скоростью сигнал на выходе БС переключается с частотой, равной частоте колебаний помехи. В инерционном звене 1 с такой же частотой будет переключаться значение его постоянной времени, и полезный сигнал на выходе будет отрабатываться без искажений. Таким образом, из-за скачкообразного изменения постоянной времени (Т_ф, Т*_ф) инерционного звена 1 при быстрых изменениях полезного сигнала последний фильтруется практически без искажений.
Регуляторы и устройства с расширенными функциональными возможностями довольно просто реализуются на микропроцессорных контроллерах типа ПРОТАР и Ремиконт Р-130 [4]. Далее приводятся примеры использования и результаты испытаний различных типов регуляторов с расширенными функциональными возможностями (РФВ) для управления химико-технологическими процессами (ХТП) производства метанола [5–7].

АСР температурного режима в колонне синтеза метанола

На рис. 6  приведена развёрнутая структурная схема АСР температурного режима отдельного агрегата синтеза метанола. 

Условные обозначения: 1 – смеситель газа (СГ); 2 – колонна синтеза метанола (КСМ) и четыре катализаторные корзины (КК-1…КК-4); 3, 4, 5 – змееевики системы охлаждения; 6 – котёл-утилизатор (КУ); 7 – сосуд высокого давления (СВД); 8 – циркуляционный насос (ЦН); 9 – конденсатор (К); 10 – сепаратор СП; 11 – сборник метанола (СМ); 12 – турбоциркуляционный (дожимающий) компрессор (ТЦК); 13 – датчик температуры; 14 – сумматор; 15 – пропорциональный (П) регулятор с контрольной точкой (вход 1 – с коэффициентом передачи, равным единице) и входом К (с коэффициентом передачи К); 16 – основной регулятор с переменной структурой и защитой от насыщения (РПС-ЗН); 17 – датчик уровня воды в СВД; 18 – блок дифференцирования с защитой от насыщения БДЗН; 19 – фильтр с защитой от насыщения ФЗН; 20 – общий клапан в системе охлаждения; 21, 22, 23 – клапаны регулирования расхода воды в системе охлаждения; 24, 25, 26 – сумматоры с корректирующими сигналами Р₁, Р₂, Р₃; 27, 28, 29 – звенья ограничения.

В состав АСР входит объект регулирования, где свежий синтез-газ через смеситель газа (СГ) 1 поступает в колонну 2 синтеза метанола (КСМ), зона реакции которой состоит из четырёх катализаторных корзин (КК-1…КК-4), разделённых змеевиками 3, 4, 5 системы охлаждения, которая состоит из котла-утилизатора (КУ) 6, сосуда высокого давления (СВД) 7 и циркуляционного насоса (ЦН) 8.
Производительность и устойчивость технологического режима колонны существенно зависит от температуры газовой смеси в катализаторной зоне, а также от расхода циркуляционного газа, давления газа в зоне реакции и расхода продувочных газов из системы. Наиболее ответственная часть задачи управления КСМ – поддержание теплового режима на заданном уровне для конкретных условий ведения технологического процесса.
В локальных АСР температурного режима на каждой колонне синтеза метанола (КСМ) для повышения качества регулирования температуры применены регуляторы 16 с переменной структурой (РПС) и с защитой от насыщения (РПС-ЗН). В этих регуляторах используются устройства защиты от насыщения, которые ограничивают выходные сигналы U как сверху на уровне Р_в = 90%, так и снизу на уровне Р_н = 0% (рис. 7).

Условные обозначения: Т_зд, Т_тек – заданное и текущее значения температуры; U, μ – выходы регулятора и интегратора; Р_в, Р_н – уровни ограничения выхода регулятора.

Ограничение сверху на уровне Р_в < 100% необходимо для установки минимального расхода воды через змеевики системы охлаждения и обеспечения их сохранности. Ограничением снизу повышается готовность АСР к работе.
В схемы локальных АСР температурного режима дополнительно введена коррекция входного сигнала РПС-регулятора по скорости изменения уровня воды h в расширительном сосуде 17 системы охлаждения. Уровень воды h быстрее реагирует на возмущения температурного режима в КСМ, чем основная регулируемая величина. Использование этой дополнительной информации позволяет повысить качество регулирования температуры. Для этого в канале коррекции установлены блоки БДЗН и ФЗН. Ограничение выходного сигнала БДЗН необходимо для исключения больших значений сигналов стабилизации по уровню воды. Высокочастотные колебания уровня воды устраняются фильтром ФЗН с настраиваемой зоной нечувствительности [5–6].

АСР давления в колонне ректификации метанола

Эта АСР (рис. 8) с защитой от насыщения поддерживает в заданных пределах давление в колонне ректификации метанола (КРМ).

Условные обозначения: 1 – сборник (С); 2 – теплообменник (ТО); 3 – колонна ректификации метанола (КРМ) с питающими тарелками 9–54; 4, 5 – датчики давления в КРМ (вверху ДВ и внизу ДН); 6, 7 – сигнализаторы (СН); 8 – сборник конденсата (СК); 9 – холодильник (Х); 10 – катионовые фильтры (КФ); 11 – воздушный и водяной конденсаторы (ВК); 12 – сборник дистиллята (СД); 13 – центробежный насос (ЦН); 14 – холодильник-конденсатор (ХК); 15, 16 – предохранительные клапаны; 17, 18 – регулирующие клапаны; 19 – пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор с защитой от насыщения ПИ-РЗН, у которого Р_в, Р_н – уровни ограничения выходных сигналов регулятора (только сверху) и интегратора (только снизу), Р_зд – заданное значение регулируемого параметра (давление верха колонны ректификации метанола).

При выходе давления Ртек за эти пределы при Ртек > Рсигн вначале срабатывает сигнализация. При Р_тек > Р_ав > Р_сигн аварийно срабатывают предохранительные клапаны 15, 16, и всё содержимое КРМ (ценный газообраз­ный продукт – метиловый спирт) выбрасывается в атмосферу, что приводит к большим экономическим потерям.
В данной АСР при работе в нормальном режиме оба регулирующих органа (РО) 17, 18 должны находиться в закрытом состоянии (рис. 9). 

Условные обозначения: Р_зд, Р_тек – заданное и текущее значения регулируемого параметра; U, μ – выходы регулятора и его интегральной части; Р_ав – уровень (аварийный) срабатывания предохранительных клапанов в КРМ; Р_сигн – уровень срабатывания сигнализации; Р_в, Р_н – уровни ограничения выходных сигналов регулятора (только сверху) и интегратора (только снизу).

Поэтому нижний предел Р_н изменения интегральной составляющей µ регулятора задаётся на стандартном уровне 0% (20 кПа), что обеспечивает надёжное закрывание РО, так как выход U регулятора находится ниже уровня Р_н (см. отрезок времени t = 0…2 на рис. 9). Таким образом, защита от насыщения по нижнему пределу Р_н осуществляется по выходу интегратора µ, что позволяет без задержки изменять (в рабочем диапазоне) регулирующее воздействие U только в случае превышения (при t ≥ 2 на рис. 9) заданного значения Р_зд регулируемой величиной Р_тек.
В типовом ПИ-регуляторе в этом режиме интегральная составляющая µ находилась бы на нижнем уровне питания –Р_пит = 0 кПа (–25%) и начала изменяться только с момента времени t = 2 на рис. 9, что привело бы к большой задержке изменения положения РО (до момента времени t ≅ 3 на рис. 9).
Верхний граничный предел Р_в изменения выходного сигнала регулятора U необходимо задать на уровне 40…50% (см. время 4 ≤ t ≤ 6 на рис. 9) для исключения больших потерь ценного продукта и сразу начинать закрывать оба РО при начале движения (время t ≥ 6 на рис. 9) регулируемой переменной Р_тек (давления в колонне) к заданному значению Р_зд. 
Выходной сигнал U типового ПИ-регулятора в этом режиме находился бы на верхнем уровне питания +Р_пит = 140 кПа (150%). А изменения положения РО начнутся по истечении значительного времени прохождения выходным сигналом U регулятора большого расстояния в 110% от +Р_пит до Р_в. Таким образом, защита от насыщения АСР давления в КРМ позволяет устранить существенные задержки управляющего воздействия и обеспечить живучесть АСР [7].
Регуляторы с расширенными функциональными возможностями находят применение при проектировании систем управления различными технологическими процессами и объектами. Их применение в действующих системах регулирования технологических параметров позволяет существенно улучшить качество выпускаемой продукции и получить дополнительный технико-экономический эффект. ● 

Литература

1. Батяшов С.В., Громаков Е.И., Лиепиньш А.В. Безударный переход из ручного режима на автоматический в САР уровня воды барабана парового котла // Автоматизация в промышленности. – 2013. – № 11. 
2. Говоров А.А. и др. Пневматические регулирующие устройства с расширенными функциональными возможностями для управления нефтехимическими и химико-технологическими процесса­ми. – М. : ЦНИИТЭнефтехим, 1991. 
3. Говоров А.А. и др. Пневматические устройства предварения с ограничениями выходного сигнала // Нефтепереработка и нефтехи­мия. – 1990. – Вып. 6. 
4. Говоров А.А., Говоров С.А. и др. Микропроцессорные контроллеры АСР с расширенными функциональными возможностями. – Тула : ТулГУ, 2003. 
5. А.с. 889654 СССР МКИ C 07 C 31/04. Устpойство для регулирования темпеpатуpного pежима в колонне синтеза метанола / А.А. Говоpов и др. – Опубл. 15.12.81, Бюл. № 46. – 4 с.
6. А.с. 679935 СССР МКИ G 05 B 11/01. Устройство для комбинированного регулирования / А.А. Говоров и др. – Опубл. 15.08.79, Бюл. № 30. – 3 с.
7. А.с. 1671654. Устройство для регулирования давления в колонне ректификации метанола / А.А. Говоров и др. – Опубл. 23.08.91, Бюл. № 31. – 5 с. 

E-mail: mertsalov@mail.ru