скачать книгу бесплатно
РЕГУЛИРУЮЩИЕ ПОВОРОТНЫЕ ЗАСЛОНКИ
Регулирующие заслонки находят применение вплоть до давлений 6,4МПа, Ду 400мм и предназначаются для регулирования расхода пара. Ранее они применялись при температуре не более 425
С. Их работоспособность в прошлом также ограничивалась перепадом давлений на рабочем органе и составляла не более 0,025МПа. В настоящее время при использовании заслонок с эксцентриковым смещением удается значительно повышать допустимый перепад давлений.
ЗАМЕНА РЕГУЛЯТОРОВ ДАВЛЕНИЯ
Регуляторы давления – это автоматическая арматура с линейным движением штока, с чувствительным элементом, которым выступает резиновая мембрана. Формирование силового воздействия осуществляется нагружением грузом или пружиной. Действие регулятора происходит за счет использования энергии рабочей среды, транспортируемой по трубопроводу. При изменении давления на участке трубопровода, настроенная пружина отрабатывает степень открытия регулирующего органа регулятора до тех пор, пока не восстановится исходная величина давления.
Для регуляторов используются в основном только тарельчатые двухседельные клапаны с мембранным рычажно-грузовым приводом. Этим обусловливается то, что ход штока будет незначителен. Расчетная длина хода составляет не более 0,15 диаметра отверстия в седле клапана.
Проблемой использования мембранных приводов является то, что они одновременно являются и приводом, и чувствительным элементом. Поэтому их применение возможно только для малых диаметров арматуры, где погрешность движения привода близка к погрешности чувствительного элемента. Применение формованной мембраны большого диаметра нецелесообразно, поскольку такая мембрана является элементом повышенной чувствительности, и при малых изменениях давления будет приводить к резким перемещениям штока с большой амплитудой и ударам плунжера о седло. Для решения проблемы применяют малую плоскую мембрану. Однако она создает менее чувствительную систему за счет повышения жесткости. Достигаемая характеристика в большей степени может быть приближена только к пропорциональной. Однако это происходит за счет повышения неравномерности величины отрегулированного давления. Таким образом, применение прямых регуляторов для трубопроводов крупного диаметра ограничено.
Точность работы регулятора давления характеризуется степенью неравномерности, определяемой отклонением действительной величины отрегулированного давления в процентах от номинальной настроенной. Несовпадение этих величин вызывается тем, что с повышением расхода повышается отрегулированное давление в зависимости от жесткости мембраны и пружины привода. На точность работы регулирующего клапана и регулятора давления оказывает влияние и порог чувствительности, определяемый минимальной величиной изменения давления, необходимой для того, чтобы плунжер изменил свое направление на обратное. Замена регуляторов на регулирующие клапаны для целей повышения точности и управляемости режимом работы контура регулирования является актуальной задачей.
Задачами, которые могут решить регулирующие клапаны при установке взамен регуляторов, могут быть: уменьшение степени неравномерности действий (для регуляторов они составляют до 20% даже для Ду 50-80мм) при пороге чувствительности 0,03-0,05МПа, повышение точности регулирования, быстродействия, снижение запаздывания.
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩАЯ АРМАТУРА
В энергетике существует ряд контуров, где при нарушении нормального хода технологического процесса требуется быстро отключить подачу среды. Основной проблемой является необходимость выполнения жестких требований, как правило, нормируемых надзорными организациями по скорости закрытия – открытия затвора. В частности, для многих узлов быстрой и аварийной отсечки нормируются значения времени открытия-закрытия от 0,5 до 1-2 сек. К ним относятся, например, клапаны быстрой отсечки турбин, байпаса, антипомпажа, защиты в горелочном оборудовании, участки аварийной отсечки и вентилирования.
В состав защитной арматуры могут входить поворотные отсечные клапаны. Ими являются, как правило, поворотные заслонки с пневмо и электроприводом. Они успешно заменяют собой отсечные клапаны с линейным движением штока с мембранным исполнительным механизмом. Основной причиной является значительно меньший ход штока при повороте, по сравнению со значительной длиной хода штока при закрытии, например, при помощи задвижки или вентиля.
2.3. Критерии выбора арматуры
ТОЧНОСТЬ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ В СОСТАВЕ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ
К сожалению, до сих пор задача обоснования точности контуров недостаточно освещена в литературе и проработана. В связи с этим в предлагаемом материале делается попытка показать связь между точностью регулирующего клапана, точностью контура и накоплением погрешности в процессе эксплуатации. При этом необходимо учитывать взаимосвязь между контурами, научиться просчитывать накопление ошибок регулирования и возможность их снижения уже на этапе проектирования. Специалисты до сих пор не умеют считать заданные погрешности по контурам с точностью, требуемой по технологическому процессу.
Таким образом, при поставке оборудования, в проектные решения закладываются исходные данные по оборудованию без просчета возможностей повышения точности процесса. Сам процесс на этапе проектирования, как правило, не оптимизируется по критерию снижения погрешности регулирования. В то же время, такие расчеты позволили бы уже на этапе проектирования выявить критические контуры регулирования и дать по ним более эффективные решения с повышением стабильности, точности и качества технологического процесса.
В типичном контуре (объект управления – сенсор – логический элемент (задатчик)– исполнительный механизм – регулирующий орган (клапан)) главным источником погрешности по определению является регулирующий клапан. Это становится очевидным при рассмотрении степени задаваемой погрешности датчиками при сравнении со степенью отработки сигнала регулирующим клапаном. И действительно, по здравому смыслу, точность «инструмента» (датчика или сенсора) должна быть всегда выше точности «обрабатываемого изделия» (в нашем случае регулирующего клапана).
В этих материалах мы попытаемся обосновать необходимость проведения таких расчетов и оптимизации, как уже действующего производства, так и при проектировании.
ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ТОЧНОСТИ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА
Обычно, когда метрологи и технологи говорят о процессе, то подчеркивается важность экспериментального опробования, плотных испытаний, накопления статистических данных по результатам первичной эксплуатации. Это важно потому, что при переходных условиях или, пока еще процесс не стабилизировался и не вышел на режим, то говорить о возможности оптимизации не приходится. Для разрешения ситуации говорят о возможных погрешностях на основе прошлого опыта. Например, по опыту выделяют критические контуры регулирования и оценивают их с точки зрения вероятности изменения и замены регулирующих органов на более точные. Для энергетики проблема осложняется еще и тем, что сами контуры регулирования по критерию критичности могут быть не только связаны с качеством выходных характеристик, но и с поддержанием множества вспомогательных, дополнительных или косвенных характеристик. Также должны учитываться показатели надежности, долговечности и долговременной точности регулирования, которую по-другому можно назвать метрологической надежностью. Регулирующие клапаны, обладая рядом метрологических характеристик, таких как статическое и динамическое отклонение, мертвая зона и др., должны рассчитываться на точность регулирования в регулирующем контуре.
В тепловых процессах, также как и всех химических и гидромеханических процессах, действуют множество факторов. Сложность их взаимодействия приводит к традиционному взгляду, что оценить точность регулирования невозможно. Но есть ряд приборов и инструментов, которые позволяют снять значительную часть неопределенности и перевести ее в более структуризованные и измеряемые формы процесса, как за счет автоматических анализаторов, так и специальных приборов. Например, при оценке пульсаций можно эффективно использовать вибродиагностические приборы. Благодаря математическому аппарату, заложенному в них, они разлагают спектр пульсаций в ряды Фурье, после чего появляется ясная возможность сравнивать их с пульсациями, задаваемыми конкретными узлами. Например, самые большие пульсации могут задавать насосы. А среди рассматриваемых узлов, задающих пульсации, могут выступать и вакуумные системы, и вибрация трубопроводов, и колебания расхода, характерные для пароконденсатных и двухфазных смесей и др. Говоря языком теории точности, в этом случае удается выделить из генеральной совокупности элементов смесь распределений и после их анализа в отдельности синтезировать общую картину точности по пульсациям.
Таким же образом можно рассматривать и более сложные процессы с множеством входных и выходных характеристик. Для этих целей все чаще должны использоваться средства САПР, синтезирующие различные сочетания накопления ошибок и погрешности в последовательном и параллельном проведении технологического процесса и оптимизирующие контуры регулирования по критерию минимальной погрешности заданных технологических параметров. Такой подход позволяет решать задачи синтеза размерных цепей допусков технологического процесса более совершенными средствами и оптимизировать их для конкретной постановки задачи.
Так, по результатам «размерного» анализа накопления погрешностей можно выделить критические контуры, с увеличивающимися звеньями и высоким передаточным отношением и оптимизировать их, предложив более точное исполнение клапана, с более совершенным приводом и позиционером. При проверке спецификации клапанов при проектировании технологической схемы критические участки выделяются и рассматриваются отдельно. Для них производится перерасчет с целью повышения точности и метрологической надежности. Для крупных предприятий, это эффективно еще и с точки зрения развития диагностики, унификации и сервисного обслуживания. По мнению авторов, такой подход эффективен при рассмотрении проблемы точности в контексте надежности и коммерческий эффективности, например, при замене спецификации разнородных клапанов, предлагаемых компаниями, специализирующихся на какой-либо части технологического процесса на унифицированные «диагнозопригодные» решения от одного производителя арматуры.
Говоря о традиционных способах устранения отклонений процесса, обычно приводят возможностях системы автоматизации. Однако, это не всегда так. Если, например, погрешность выполнения задания регулирующим клапаном выше допуска, задаваемого системой автоматизации, то клапан не сможет поддерживать задание в точности. Результатом станет как большая колебательность процесса, так и неэффективная автоколебательная работа самого клапана.
ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Рассмотрим для начала основные определения, которые необходимы для рассмотрения процессов регулирования с точки зрения теории точности. Основными участками рассмотрения будут – точность при проектировании технологических схем, контура регулирования и самого клапана, в эксплуатации, измерении и контроле.
Выходные характеристики. Это те показатели, которые обеспечивают необходимый уровень работоспособности, долговечности, надежности, ремонтопригодности, устойчивости и других критериев качества. Они отличаются от служебных или эксплуатационных характеристик, поскольку этот показатель шире и включает и негативные выходные характеристики, возникающие в процессе эксплуатации. Например, спектр частот и собственная виброактивность клапана могут быть названы только выходной характеристикой, поскольку ни служебной, ни эксплуатационной не являются.
Выходные характеристики – это допуск на параметры технологического процесса, зависящие от клапана. Например, для клапана питательной воды – это допуск на расход готового пара после ее испарения. Для технологической схемы с участием клапанов и ограничениями на минимальное влияние других факторов – это может быть дополнительно и допуск на устойчивую работу последующих контуров, например, при каскадном дросселировании пара. В этом случае необходимо рассмотреть другие контуры регулирования, вносящие свой вклад в формирование свойства. Например, зная влияние гидразина на свойства воды, можно рассмотреть, какие контуры регулирования влияют на процесс, и как погрешность регулирования выводит процесс за допустимые рамки, приводя либо к избыточности добавки химикатов, либо к ухудшению качества воды или срывам режима. Для этих целей хорошо работает теория вкладов в теории точности. Также могут быть рассчитаны уравнения регрессии или найдены экстремумы свойств. Говоря языком химии, могут быть найдены участки допусков, максимально сочетающиеся с центром процесса, где свойства оптимальны и эффективность регулирования наиболее высока. Тогда можно уйти от краев процесса, где погрешность высока, а качество выполнения химического процесса, реакции, и т.п. минимально.
ПОКАЗАТЕЛИ ТОЧНОСТИ
Функциональные параметры – это физико-химические параметры, которые оказывают влияние на выходные характеристики. Например, к числу выходных характеристик клапана могут быть отнесены секундный расход, давление, концентрация, работа на переходных режимах, потери на гидравлическое сопротивление. Функциональными параметрами клапана, обеспечивающими этот процесс, являются степень линеаризации, пропускная способность, угол открытия, динамический гистерезис, мертвая зона, мера отклонения от линейности, заданного командного сигнала и др.
Функциональные параметры могут быть регулируемыми или нерегулируемыми, а также невыявленными. Они обычно называются шумом. Регулируемые и измеряемые параметры для клапанов могут быть оценены при помощи «алмазной» диаграммы, показываемой программой диагностики (для компании Метсо – программно-диагностический комплекс FIELDCARE), и реализуются при помощи сенсоров, установленных в цифровой смарт позиционер (для компании Метсо – цифровой позиционер серии ND 9000).
Основные функциональные параметры – это те параметры, погрешности которых оказывают наибольшее влияние на погрешности выходных характеристик.
Исходные зависимости – это соотношения между функциональными параметрами и выходными характеристиками, получаемыми на основе опыта производства или подразумеваемых и обычно задаваемыми технологией. Именно они являются исходными для расчета допусков и прогнозирования погрешностей. Так, для анализа погрешностей контуров в тепловых схемах исходные зависимости определяются в целом тепловым и материальным балансом.
Увеличивающие функциональные параметры – с их увеличением выходная характеристика увеличивается, уменьшающие – с увеличением которых выходная характеристика уменьшается. Примером увеличивающего звена является, например, узел разбавления, когда погрешность подачи химикатов будет многократно увеличена на выходе из этого звена и проявится, например, в значительном отклонении параметров воды от заданного рН. Пример уменьшающего звена в тепловых схемах – конденсатор.
Здесь же важно и показать, как появляется передаточное отношение (коэффициент усиления) – величина, указывающая направление и интенсивность влияния функционального параметра на выходную характеристику. С точки зрения системы автоматизации передаточное отношение может быть обозначено как коэффициент влияния или коэффициент чувствительности. Этот же параметр может косвенно указать на критический контур регулирования, где относительное передаточное отношение (передаточное отношение, отнесенное к математическому ожиданию) будет значительно больше или меньше 1.
Коэффициент точности – покажет соотношение между полем рассеяния и допуском при заданной или полученной по результатам контроля качества функции плотности вероятности. То, что поле рассеяния не равно допуску, легко видеть при сравнении данных контроля качества, вычислении истинного среднего значения величины, ее математического ожидания и допуска. В этом случае, повышение точности может позволить разделить допуска на несколько дополнительных, например, изменив категории качества готового пара после пароохладителя, разбив его по достижимой точности в пределах одного Кv в рамках одного процесса. При этом можно получить значительно более эффективное качество выполнения процесса. Если параметров несколько, то поле рассеяния легко видно на диаграмме допусков. Когда измеренное качество появляется в виде поля и не обязательно занимает равномерно все поле допусков, а может сосредотачиваться на одном из углов диаграммы. В этом случае технологу следует задуматься, куда и почему «плывет» процесс, отдаляясь от своего центра, заданного допусками. Примерно так определяют точность выполнения процесса, когда задана целевая область диаграммы – рабочая точка по расходу, давлению и температуре пара. Эти данные используют для регулирования контуров, ответственных за ту часть процесса, которая вносит наибольший вклад в формирование показателя рабочей точки.
Чтобы получить данные и уметь уже на стадии проектирования смоделировать точность, необходимо провести оценку точности. Оценка точности может состоять из 3-х этапов:
– Расчет допусков по результатам расчета погрешностей, задаваемых производителем регулирующих клапанов.
– Сравнение с результатами опытной эксплуатации и параметрами технологического процесса, его допусками.
– Выявление критических участков.
Оценка точности предполагает и риски, например, вероятность отвергнуть правильное решение (риск 1-го рода) и вероятность принять неправильное решение (риск 2-го рода). Для оценки риска 1-го рода, используют критерий значимости, задаваемый по следующим значениям: ? = 0,05; 0,01; 0,0027. Чем ниже значение «?», тем выше точность.
Тем не менее, следует учесть, что слишком высокое повышение точности может привести к сбоям. Так, например, задание слишком малого отклонения для целей регулирования может привести к накоплению ошибки ПИД-регулятора и самопроизвольному отключению цифрового позиционера или сверхвысокой частоте колебаний регулирующего клапана, что приведет к его поломке.
РАСЧЕТНЫЕ ЗАДАЧИ ТОЧНОСТИ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ
Уравнения теплового и материального баланса, как основные расчетные характеристики технологического процесса, не учитывают погрешностей регулирования процесса, взаимного влияния сопряженных контуров, накопления ошибки и др. В тоже время эти погрешности влияют на точность процесса, качество конечного и промежуточных продуктов, затраты энергии, трудности с компенсацией погрешностей средствами системы автоматизации. В точных процессах и критических контурах регулирования эти проблемы могут оказаться весьма существенными. В целом можно сказать, что нестабильность процесса может снизить показатели совершенства технологического процесса или производительности до 10%.
В тоже время технологический регламент, рассчитываемый по условиям материального баланса, задает, как правило, значительно больший возможный допуск на процесс, чтобы поле рассеяния параметров оказалось внутри допуска. Но, именно благодаря этому, создается возможность оптимизации.
Учитывая многообразие связей между параметрами в ходе реализации технологического процесса, статистические выходные характеристики могут подсказать и наличие неучтенных факторов. А после анализа таких параметров можно будет задавать такой параметр, и установить измерительный контур регулирования для осуществления этого параметра. Так, вместе с уравнениями теплового и материального баланса желательно учитывать и погрешности параметров технологического процесса – например, от колебаний давления, уровня вакуума, концентрации химикатов, пульсаций расхода на сами показатели материального баланса. Трудности состоят в том, что иногда параметры и выходные характеристики формируются в ходе технологического процесса и не могут быть проконтролированы и заданы изначально. Сюда же относится и проблема нелинейности исходных зависимостей, что может обусловить недопустимость их линеаризации.
В целом, задача расчета погрешностей контуров регулирования сводится к следующей схеме:
1. Аудит технологической схемы, сбор расчетных данных по процессу и расчет погрешностей по контурам регулирования. При наличии устоявшейся технологической схемы и вышедшего на режим технологического процесса снятие при помощи программы FIELD CARE показателей процесса и «алмазной» диаграммы. Установление трендов процесса.
2. Анализ технологической схемы с учетом данных п.1. Анализ, расчет и прогнозирование погрешностей элементов входной и выходной информации, характеристики их распределений и зависимостей между ними. Выделение быстродействующих возмущений, например, колебаний параметров процесса и медленно действующих факторов (зарастание, износ и др.). Расчет точности технологического процесса на различных этапах жизни контура регулирования. Расчет точности контура регулирования при различной заданной производительности и др. Расчет точности, как по одному доминирующему фактору, так и по нескольким.
3. Совершенствование технологической схемы на основе расчета погрешностей по процессу и накопления критических ошибок в процессе. Выделение критических контуров регулирования. Замена клапанов на более совершенные, с учетом анализа и синтеза точности.
Примером может стать расчет в программе NELPROF клапанов регулирования подачи химикатов на участках дозирования или химводоподготовки. Так, задавая основную среду, входные параметры, и рассчитывая процесс при минимальных отклонениях концентрации, можно получить весьма существенные снижения отклонений в рН воды.
Пример расчета по отклонениям процесса регулирования химикатов при помощи клапана NELES ACE приведен ниже:
Пример
На сегодняшний день дозаторы обладают чувствительностью +-0,2%. Для выбора клапана необходим ряд данных: производительность, требуемая концентрация, размер привода, линия подачи химикатов и дифференциал давления. По программе NELPROF, разработанной компанией METSO AUTOMATION, рассчитывается клапан, оптимально подходящий для данных условий. Пример в табл. демонстрирует выбор клапана R- серии DN200. Случай 1 дает положение клапана при данных параметрах процесса. Случаи 2 и 3 показывают изменения скорости потока, вызванные изменением положения открытия клапана: 1 шаг для случая 2 и ? шага для случая 3. Интересно отметить, что клапан серии «R» NelesACE позволяет регулировать с точностью до +-0,014% около точки установки посредством полных шагов (импульсов) и до +-0,007% – полушагами. Таким образом, точность регулирования может быть повышена как минимум в 30 раз по отношению к первоначально заданной погрешности регулирования.
Табл. 2.4. Данные о процессе
Табл. 2.5. Характеристика процесса
Табл. 2.6. Расчетные параметры работы
Факторы, которые необходимо учесть, весьма многообразны. Это:
– Количество и возможность связи между входными и выходными характеристиками и степень определенности задачи. В этом случае выделяют доминирующие факторы и шум.
– Случайность и неслучайность изменения функциональных и выходных характеристик и возможность задания математического аппарата. Примером может стать расчет для устранения перерегулирования в клапане РОУ при переходе с одного режима на другой.
– Параллельность и последовательность процесса. Результатом выделения последовательных связей может стать расчет погрешности, проходящей через все узлы сопряженных «танцующих» контуров регулирования. Для параллельно соединенных элементов – это амплитудное накопление погрешности при сложении пульсаций характеристик каждого из них.
КЛАССИФИКАЦИЯ РАСЧЕТНЫХ ЗАДАЧ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ НАЗНАЧЕНИЯ
Рассмотрим несколько основных задач.
1. Расчет предельно допустимых верхних и нижних отклонений, а, следовательно, и допусков контура регулирования и допусков на процесс. Выделение критических отклонений выходных характеристик, с которыми не должны совпадать рабочие выходные характеристики. Например, пульсации насоса, сложенные с пульсациями давления от других узлов, не должны совпадать, поскольку пульсации становятся недопустимо большими.
Другим примером может стать критическое накопление погрешности с выходом выходной характеристики за пределы допуска. Примером может быть работа клапана на верхнем пределе перепада давлений, за которым происходит критическое изменение характеристики регулирования из-за попадания в кавитационную область. При большой погрешности измерения попадание в эту область будет невыявленным и частым, что приведет к появлению дополнительных возмущений в процессе.
2. Расчет систематических погрешностей выходных характеристик, обусловленных применяемыми узлами.
3. Задачи синтеза точности. По найденным или заданным из опыта, аналогии или по техническим требованиям значениям предельных отклонений выходных характеристик проводится расчет необходимых предельных верхних и нижних отклонений и, следовательно, допусков входной информации. Такая задача наиболее характерна при проектировании контуров регулирования.
4. Задача анализа точности по значениям предельных отклонений показателей входной информации прогноз значений возможных предельных отклонений или полей рассеяния выходных характеристик.
5. Задача отстройки от критических состояний. Это расчет необходимых малых отклонений входных характеристик для отстройки выходных характеристик на заданную величину от нежелательного уровня или критических состояний. Задачами являются как отстройка от резонанса амплитуд пульсаций концентрации, давления и др., снижение виброактивности самого клапана, удерживание показателей регулируемой среды, например, рН воды в характерных более жестких допусках.
Сюда же относится и задача доводки средних значений выходных характеристик до определенного уровня без изменения номинальных значений входных параметров. Одной из них может быть нахождение критических состояний процесса, при которых регулирующие клапаны выходят за пределы наиболее эффективного диапазона регулирования (50-70%). На языке теории вероятности такие задачи называются «задачами преднамеренного смещения распределений».
6. Расчет погрешностей выходной информации, обусловленной действием отклонений внешних возмущений от заданного уровня. Как правило, эти задачи относятся к возмущениям, возникающим в процессе эксплуатации оборудования. Вполне правомерно, чтобы при решении задач анализа и синтеза точности принималось во внимание влияние внешних возмущений, износа и старения еще на стадии проектирования изделия. Для клапанов, установленных на определенной технологической линии, эта задача означает найти такое сочетание погрешностей, при которых процесс выходит за пределы допусков.
Для решения этих задач должны быть решены дополнительные подзадачи:
– Отбор и ранжирование функциональных параметров, выявление взаимосвязей между ними, формирование исходных зависимостей. Для тепловых схем ими могут быть в основном уравнения теплового и материального баланса.
– Установление законов распределения функциональных параметров и выходных характеристик.
– Определение оценок, ошибок и доверительных интервалов показателей, полученных экспериментально.
– Оптимизация допусков. Нахождение экстремума, максимума – минимума выходной характеристики или параметра технологического процесса. Практические результаты – это получение таких значений предельных отклонений, которые обеспечивают минимальную величину поля рассеяния, определяется коэффициент относительного рассеяния, относительной асимметрии выходной характеристики.
Кроме того, должен быть выбран метод оценки точности. Для предприятий энергетики, очевидно наиболее эффективны экспериментальные методы. Из них наиболее эффективен метод регрессий по результатам активного или пассивного экспериментов. В случае установившегося производства может быть обследована выборка качественных показателей достаточно большого объема. Измеряются значения выходных характеристик, входных параметров и внешних возмущений. Затем определяются статистические характеристики, функции плотности вероятности и законы распределения, коэффициенты корреляции между входными параметрами и выходными характеристиками. Далее определяются комплексы показателей для внешних возмущений и их связей между собой и с выходными характеристиками. Зная модели плотности вероятности, можно определить поля рассеяния, верхние, нижние отклонения, коэффициенты относительного рассеяния, коэффициенты относительной асимметрии. Имея набор перечисленных величин, конструируются формулы для расчета точности.
В жизни метод может выглядеть следующим образом. От отдела качества получают статистические данные по процессу. Альтернативно данные можно получить из диаграмм процесса АСУ ТП. Рассчитываются дисперсии и определяются отклонения. Данные сравниваются с дисперсиями по процессу. Выделяются критические участки процесса, вносящие максимальный вклад в дисперсию. Производится анализ по контурам. На основе анализа принимается решение о замене существующих и внедрении наиболее точных контуров регулирования. Рассчитывается эффективность через ужесточение допусков на процесс, снижение норм расхода и экономическая эффективность в целом.
Все методы в полном объеме реализуются только на компьютере. Построенные при помощи указанных методов обобщенные модели распределения особенно удобны при выполнении автоматического регулирования процессов с меняющимися законами распределения и, очевидно, могут быть вложены в виде дополнительного программного обеспечения в систему АСУ ТП.
Кроме этого, в ходе выполнения технологического процесса и при периодических поднастройках, исходные заданные значения регулирования могут искажаться. В этом случае включение программы NELPROF в систему автоматического регулирования с постоянным пересчетом клапанов на текущее значение технологического процесса будет четче выдавать общую картину диапазона регулирования. Система будет показывать места выхода текущих характеристик за пределы диапазона регулирования клапана. В частности, такие задачи наиболее характерны при частой смене режимов или нагрузок.
Исходные заданные значения регулирования искажаются и из-за расширения погрешностей регулирования и\или из-за износа самого клапана. В качестве примера можно привести последовательность выявления проблемы точности, как в процессе, так и в самом клапане подачи химикатов.
Пример. Пусть контролируемым параметром будет рН воды. После отладки процесса берется выборка данных химанализа воды и оцениваются результаты измерения рН каждого измерения. Получаем выборку. Спустя заданное время проводим эту процедуру 2-й раз. Результаты измерений смешиваются, и каждому значению присваивается ранг. Вычисляются суммы рангов для каждой из выборок и определяются значения критерия Уилкоксона. Они сравниваются со значениями для риска 1-го рода. Выявляется разница. Если она существенна, что это означает, что необходимо вмешаться в процесс, т.к. что-то в распределении рН изменилось, хотя отклонения, выходящие за пределы допуска, еще не появились. Произведя еще вычисления, можно установить, что именно изменилось, в какой из характеристик процесса нарастает опасная тенденция. Ими может быть уровень настройки, о чем можно судить по изменению среднего арифметического, разброс значений, т.е. точность отслеживания рН, о чем можно судить по изменению дисперсии.
Для регулирующих клапанов особенно важно, чтобы процесс находился в наиболее эффективной линейной части регулирования. Его можно назвать «центром процесса» или распределения и он соответствует традиционно задаваемому диапазону регулирования 50-70%. Регулирование на этом участке будет наиболее свободно от погрешностей и будет ухудшаться с приближением к выходу за его пределы. Это также означает, что в случае ухода от центра процесса (распределения) и приближением к его концам будет появляться дополнительный разброс значений. И это также означает, что необходимо поддерживать настройку клапана и удержание диапазона регулирования в области центра процесса. В случае выхода клапана из зоны эффективного регулирования с максимальной линеаризацией, и работой в диапазоне ниже 40% или более 70%, отклонения в регулируемых параметрах могут иметь критические значения. Расчеты погрешности по левой и правой границе диапазона регулирования дадут точные значения общей погрешности и помогут более точно сформировать требования к точности вблизи этих границ.
Учитывая частые изменения нагрузки, использование программы NELPROF в режиме «он-лайн» поможет производству и технологам вовремя увидеть проблемы нарастания погрешности в связи с выходом за нижнюю или верхнюю границу пропускной характеристики. Так, по данным аудита одного из энергетических хозяйств ЦБК, свыше 50% регулирующих клапанов работало при угле открытия ниже 40%, что было главной проблемой накопления ошибок при регулировании. В случае если бы в системе автоматизации была бы установлена программа NELPROF, технологи и специалисты по автоматизации смогли бы выявить проблему значительно раньше и задать ограничения по процессу или снижению производительности.
Таким образом, уравнения погрешностей или их совокупностей, если затрагиваются несколько выходных характеристик, могут служить расчетным аппаратом при решении задач отстройки системы от нежелательных уровней выходных характеристик, либо задачи доводки последних до необходимой величины.
При моделировании точности необходимо учесть, что особенное влияние на поле рассеяния параметров имеет динамика протекания технологического процесса. Чем выше скорость, производительность, чем меньше устройств сглаживания, резервирования или транспортных звеньев, также способных сглаживать процессы, тем выше неустойчивость регулирования и колебательность процесса. При этом следует принять во внимание, что смещается как математическое ожидание характеристики под действием систематических факторов (износ, разбалтывание соединений, люфты в клапане, другие возмущающие факторы), так и случайные факторы при поднастройке контура регулирования и самого клапана. Растет дисперсия вследствие действия систематических факторов, например, динамических отклонений и, соответственно, динамической расстройки контура, так и случайных факторов.
Это также означает, что необходим определенный запас точности настройки, как минимум между двумя ППР и должна рассчитываться зона безопасного смещения математического ожидания вырабатываемой совокупности и роста ее дисперсии. В этом случае в «алмазной диаграмме» программы FIELDCARE можно предусмотреть 2 основные части поля рассеяния – большую часть, равную вероятностной сумме случайных погрешностей и меньшую, зону безопасного смещения математического ожидания и роста ее дисперсии, или зона запаса точности. Они, как понятно, должны быть меньше поля допуска. В анализе, приводимом специалистами по точности (ИПМАШ, Санкт-Петербург), показывается, что при применении, например, унифицированного метода, чем точнее выполняется обработка (точнее работает контур регулирования), тем создается большая возможность увеличения допусков. Этот принцип реализуется только при автоматическом непрерывном регулировании точности. Как уже показывалось выше, автоматический перерасчет клапанов он-лайн и встройка тревожных сигналов в системы автоматизации, может стать первым приемом повышения эффективности качества регулирования.
Если при моделировании используются различные гидравлические или электрофизические аналогии, то появляется возможность определить влияние дополнительных малых параметров на динамику системы. При разработке алгоритмов, они также могут быть включены в систему автоматизации процесса. Такие модели могут быть наиболее полезны при анализе точности сложных технологических схем, состоящих из большого числа узлов, соединенных последовательно или содержащих несколько разветвленных схем из таких последовательных цепочек. Требуется расчет точности контура регулирования каждого элемента и точности взаимного влияния этих контуров, для того, чтобы гарантировать функциональную точность процесса. Кроме того, модели должны учитывать изменение погрешностей во время эксплуатации. Ряд таких работ проводится в ВШТЭ СПБГУПТиД (бывшее ГТУРП), Санкт-Петербург. В результате моделирования одним из первых результатов может быть предсказание того, достигнет ли контур требуемой точности, будут ли сбои в определенный период, необходимо ли перепроектировать сам контур и т.п.
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ ВКЛАДОВ ДЛЯ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ТОЧНОСТИ
Вклад – эта мера влияния данного фактора на тот или иной показатель точности выходной характеристики. По-видимому, этот метод наиболее характерен для расчета погрешностей процессов технологических схем, как уже было продемонстрировано. При этом вклады могут быть следующими
1. абсолютный вклад фактора, включая и возмущающие, в математическое ожидание или среднее значение,
2. относительный вклад того же фактора,
3. относительный вклад свободного члена исходной модели (погрешности линеаризации, моделирования, полноты учета входных параметров),
4. относительный вклад дисперсии фактора в дисперсию выходной характеристики,
5. относительный вклад поля рассеяния фактора в поле рассеяния выходной характеристики,
6. относительный вклад совместного влияния 2-х дисперсий в дисперсию выходной характеристики, поля рассеяния,
7. относительный вклад отклонения от среднего значения факторов в отклонение от среднего значения выходной характеристики.
Методология рассмотрения точности по методу вкладов позволяет решать следующие задачи:
– ранжирование факторов по степени их влияния на выходные характеристики,
– оценка вклада в линеаризованную область, что позволяет анализировать роль неопознанных, неучтенных факторов и возмущений, а также погрешностей моделирования,
