КЕЙС К ГЛАВЕ 10 СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ИНТЕГРАЦИИ АРМАТУРЫ В АСУ ТП

Основой экономического эффекта АСУ ТП является качество процессов регулирования технологических процессов. Системы автоматического регулирования (САР или САУ) обеспечивают основной экономический эффект на производстве, в основном, за счет снижения расходов сырья, энергии, химикатов, воды и пр. Это говорит о важности качественного регулирования технологических процессов. Однако на практике обеспечение качественного регулирования является серьезной проблемой.

ПРОБЛЕМЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Исследования качества работы САР в различных отраслях показали, что 49-63% систем работают со «слабыми», приближенными к размыканию контура регулирования, настройками. В эту группу включены САР, настройки регуляторов которых ослаблены для обеспечения стабильности технологического процесса при изменении режима работы оборудования, например, нагрузки. Также к этой группе относятся САР со значительно ослабленными настройками, при которых регуляторы практически отключены, и контуры регулирования становятся почти разомкнутыми. В среднем примерно треть контуров работает с нормальными настройками, треть - с «ослабленными», и треть - практически разомкнуты «слабыми» настройками. Фактически большинство таких контуров переводится в режим ручного управления, поскольку в автоматическом режиме система становится неустойчивой.

К группе с «ослабленными» настройками относятся контуры с регулирующими органами (клапанами), имеющими люфт, гистерезис и т.п. При обследованиях выявляется до 16% таких контуров. К этой группе также могут относиться контуры, в которых установлены клапаны с пропускной характеристикой, не соответствующей параметром трубопроводной сети.

САР с «ослабленными» настройками не позволяют обеспечить высокое быстродействие и высокую точность систем управления, необходимых для достижения оптимальных режимов технологических процессов. Более того САУ с «ослабленными» настройками могут быть чувствительны к изменению настроек регулятора в процессе производства, что может привести к потере устойчивости системы управления. Поэтому на практике стараются не изменять такие настройки САР, чтобы обеспечить поддержание технологического режима, соблюдая главный принцип производства - давать продукцию, несмотря на издержки.

Промышленные САР технологических процессов - это преимущественно системы с типовыми линейными законами регулирования: одноконтурные, каскадные, по соотношению технологических параметров и взаимосвязанные системы. Основные направления повышения качества работы САР связаны с проведением оптимального синтеза системы и выбором технических средств.

На практике задача оптимального синтеза САР сводится проектировщиками в основном к обоснованию выбора типовой структуры системы и типового закона регулирования. Такой подход позволяет создавать системы управления, в целом обеспечивающих поддержание технологических режимов согласно регламенту. Однако во многих случаях, как это видно из результатов многих исследований, в производственных условиях, при работе САР могут возникать проблемы не только с обеспечением необходимой точности и быстродействия, но и с поддержанием режима автоматического регулирования.

В этой связи одним из важнейших факторов, определяющих качество регулирования технологических процессов, является выбор и расчет регулирующих органов (клапанов). Это связано с тем, что в процессе работы САР, коэффициент передачи клапана может значительно изменяться, особенно, если диапазон регулирования (диапазон изменения степени открытия клапана) изменяется в широких пределах вследствие изменения нагрузки на технологический объект регулирования.

Если это будет происходить, то САР не сможет обеспечивать необходимую точность, более того, она может перейти в автоколебательный режим или выйти за пределы области устойчивости. Поэтому чрезвычайно важно при проектировании выбрать не только пропускную, но и необходимую расходную характеристику регулирующего органа, исходя из гидравлического модуля трубопроводной сети и места установки клапана с учетом возможного изменения производительности оборудования технологической линии.

Нами отмечаются и такие часто встречающиеся проблемы, как несоответствие настроек систем управления и позиционеров приводов арматуры, работающей по цифровым протоколам. Результатом, как правило, становятся сбои и зависание систем.

Пример. Часто обнаруживается неправильная калибровка и связанные с этим проблемы закрытия клапана при сбое позиционера. Так, в ходе анализа работы позиционеров на ряде предприятий была обнаружена следующая ситуация: Цифровой позиционер накапливал ошибки во внутренней памяти и при переполнении количества ошибок просто останавливал свою работу, перекрывая поток среды.

Пример. На многих предприятиях ЦБП выявлено, что из-за высокой скорости реагирования и быстродействия, исполнительные механизмы могут не успевать отработать управляющий сигнал, в результате цифровой позиционер может давать ошибку и сбои.

Пример. Нестабильность регулирования и плавание коэффициентов усиления возникает из-за недостаточной настройки позиционеров и качества обслуживания.

Наиболее часто отделы КИП предприятий ссылаются на отсутствие опыта в работе с цифровыми DCS, неспособностью освоить новые подпрограммы для диагностики и пр. Чтобы избежать возможных проблем в эксплуатации, наиболее простое решение, которое существовало еще несколько лет назад, заключалось в том, чтобы снять цифровые позиционеры, даже с протоколом HART и заменить их на обычные аналоговые позиционеры. Так, на одном из ЦБК РФ из 147 установленных цифровых позиционеров через 2 года осталось всего 15 ед., а остальные были заменены на аналоговые позиционеры.

Следует отметить, что эта проблема наконец-то стала осознаваться, причем только руководителями предприятий или даже инвесторами. Чтобы получить от современных систем автоматизации максимум эффективности, руководители предприятий стали требовать полное выполнение всех заявленных показателей от системных интеграторов, что невозможно без включения исполнительных устройств в комплект поставки. Для них стало ясно, что поставка отдельно АСУ ТП и цифровых исполнительных устройств с последующей заменой цифровых позиционеров на аналоговые, как сложившийся путь решения проблем новой цифровой техники, ведет в тупик. Компании стали чаще решать эти проблемы, беря на себя генподряд по поставке систем автоматизации под ключ, включая и регулирующую арматуру. Этим путем уже идут такие компании как Metso, Honeywell, ABB, Emerson и др.

Почему же столь известные компании часто не используют собственные позиционеры? Казалось бы, использовать собственные позиционеры - это слишком очевидное решение, чтобы об этом говорить.

Однако собственные позиционеры, созданные компаниями- разработчиками систем автоматизации, не воспринимают множество параметров, которые могут предоставить сенсоры, понимающие работу арматуры. Позиционеры производителей систем автоматизации способны давать показатели, которые читаются системой автоматизации, например, угол поворота и степени открытия или соответствие командному сигналу. Как правило, это все.

Однако такие позиционеры не могут проводить диагностику регулирующих клапанов. Это могут делать позиционеры, созданные компаниями, производящими и арматуру, и приводы, и позиционеры, и системы автоматизации вместе. Для этого нужен большой накопленный опыт такого производства и эксплуатации. Только в этом случае можно получить целостную картину состояния арматуры, привода и позиционера в специальных паттернах системы автоматизации, рис. 1.

Рис. 1. «Алмазная диаграмма» состояния арматуры, привода и позиционера и ее отражение в системе автоматизации, www metso.com