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: α = 0,05; 0,01; 0,0027. Чем ниже значение «α», 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%.