Қос әрекеттегі дәл процесс айнымалысын басқару үшін толықтырушы бөлінген диапазонды басқару (CSRC) инженериясы

Қосымша бөлінген диапазонды басқару дегеніміз не және оны неге қолдану керек?

Қосымша бөлінген диапазонды басқару — бір процесс айнымалысын жоғары дәлдікпен реттеу үшін қарама-қарсы бағытта жұмыс істейтін екі актюаторды қолданатын басқару стратегиясы. Әдеттегі бір клапанды басқару әртүрлі медиалар ағындарын дәл пропорцияда араластыру қажет болғанда нәзік шешім қабылдай алмайды. CSRC бұл мәселені әр актюаторға қосымша рөл тағайындау арқылы шешеді: бір клапан ашылғанда, екіншісі дәл сол мөлшерде жабылады.

Бұл тәсіл жылу алмастырғыштарда, араластыру жүйелерінде, реактор температурасын басқаруда және газды өңдеу құрылғыларында қолданылады. Foxboro FCP270 Field Control Processor және Allen-Bradley ControlLogix PLC-лері басқарғышта бөлінген диапазон шығыс логикасын тікелей жүзеге асыратын жергілікті функция блоктарын ұсынады.

Алдымен, неге бір клапан бұл қолданбаларда сәтсіздікке ұшырайтынын қарастырайық. Максималды ағынды өңдеуге арналған клапан қалыпты жұмыс кезінде өте төмен ашылу пайыздарында жұмыс істейді. 5%-тен 10%-ке дейінгі ашылу кезінде ағын сипаттамалары сызықтық болмайды және позиционердің гистерезисі шектеулі циклді тудырады. Басқару сапасы осы төмен ашылу аймағында айтарлықтай нашарлайды.

CSRC қалай жұмыс істейді: екі актюатор арасындағы кері байланыс

CSRC жүйесінде PID басқарғыш бір шығыс сигналы шығарады — 4-тен 20 мА-ға дейін немесе цифрлық жүйелерде 0-ден 100%-ке дейін. Бұл сигнал екі басқару клапанына бір уақытта бағытталады. Алайда, әр клапан шығыс диапазонының әртүрлі бөлігіне жауап береді және олардың жауаптары кері бағытта болады.

Ыстық және суық су ағындарын қолданатын резервуар температурасын басқару жүйесін қарастырайық. Allen-Bradley 1756-OF8 8-арналы аналогтық шығыс модулі екі клапан позиционеріне қосымша сигналдарды жеткізеді:

• 1-қадам: Суық су клапаны 0% басқарғыш шығысында толық ашық, 100% шығыста толық жабық болады. Процесс температурасы тым жоғары болғанда максималды суық су ағынын өткізеді.
• 2-қадам: Ыстық су клапаны кері сигнал алады — 0% шығыста толық жабық, 100% шығыста толық ашық. Температура тым төмен болғанда максималды ыстық су ағынын өткізеді.
• 3-қадам: Басқарғыш шығысының 50% кезінде екі клапан да 50% ашықтықта болады. Резервуарға ыстық және суық судың тең пропорциялары кіреді, және орнатылған мән осы орташа нүкте айналасында үздіксіз реттеледі.
• 4-қадам: Басқарғыш шығысы өзгерген сайын, екі клапан да бір уақытта және кері бағытта реттеледі. Жалпы ағын жылдамдығы салыстырмалы түрде тұрақты қалады, ал ыстық пен суық судың арақатынасы өзгереді. Бұл бір клапанды жүйелер тудыратын ағын бұзылыстарынсыз дәл температураны бақылауды қамтамасыз етеді.

Allen-Bradley ControlLogix және Foxboro I/A жүйелеріндегі PID конфигурациясы

Allen-Bradley ControlLogix жүйесінде CSRC-ны жүзеге асыру PID CV мәнінен екі қосымша шығыс сигналын жасау үшін математикалық функция блоктарын қолдануды талап етеді. Ыстық су клапанына команда тікелей CV-ге тең: HV_CMD = CV%. Суық су клапанына команда — толықтырушы: CV_CMD = 100% – CV%. Екі сигнал да Allen-Bradley 1756-OF8I оқшауланған аналогтық шығыс модулі арқылы тәуелсіз клапан позиционерлеріне бағытталады.

Сонымен қатар, орташа нүктеде — әдетте 45%-тен 55%-ке дейінгі шығыс диапазонында — өлі аймақ бар, ол екі клапанның да орнатылған мәнде бір уақытта ауытқуын болдырмайды. Бұл өлі аймақта басқарғыштың кішкентай шығыс өзгерістері клапандарды қозғалтуға әкелмейді. Бұл тұрақты жұмыс кезінде актюатордың тозуын айтарлықтай азайтады.

Foxboro I/A сериясы CSRC-ны Foxboro I/A Series FCM10E Fieldbus Communications Module архитектурасындағы жергілікті SPLT (Split Range) функция блогы арқылы жүзеге асырады. Ол бір кіріс қабылдап, екі қосымша шығыс шығарады, бөлінген нүктелерді, өлі аймақтарды және клапан сипаттамаларын баптауға мүмкіндік береді. Foxboro SPLT блогы сондай-ақ асимметриялық бөлуді қолдайды — мысалы, суық клапанға 0%-ден 40%-ке дейін, ыстық клапанға 60%-ден 100%-ке дейін тағайындау, ал 40%-ден 60%-ке дейін өлі аймақ орнату.

Асимметриялық конфигурация екі медиалық ағынның әртүрлі өткізу қабілеттері болғанда пайдалы. Әр жағындағы процесс коэффициентіне сәйкес бөлінген нүктелерді баптау циклдің тұрақтылығын жақсартады және орнатылған мән өзгерістерінен кейінгі асып кетуді азайтады.

Клапандарды өлшемдеу, таңдау және қауіпсіздік конфигурациясы

CSRC үшін клапандарды өлшемдеу бір клапанды қолданбалардан өзгеше. Әр клапан 100% ашылу кезінде толық жобаланған ағынды өңдейді, бірақ қалыпты жұмыс режимі 30%-ден 70%-ке дейінгі ашылу диапазонында шоғырланады. Артық үлкен клапандар төмен ашылу кезінде басқару мәселелерін тудырады. Кіші клапандар басқарғыш 100% шығысқа жетпей ағын шегіне жетеді. Орташа пайыздық сипаттамалы клапандар стандартты таңдау болып табылады — бұл сипаттама орташа жұмыс аймағында тұрақты басқару коэффициентін қамтамасыз етеді.

Сонымен қатар, CSRC жұбындағы екі клапан да дәлдігі мен гистерезис сипаттамалары бірдей сәйкес позиционерлерді қолдануы керек. Сәйкес келмейтін позиционерлер асимметриялық басқаруды тудырады — цикл бір бағытта жақсы жұмыс істейді, ал екінші бағытта тербеледі. Реактор температурасын басқаруда, аспаптық ауа немесе қуат жоғалғанда, қауіпсіздік үшін салқындату клапанын толық ашу және қыздыру клапанын толық жабу ұсынылады. Бұл процесті қауіпсіз суық күйге бағыттайды.

CSRC циклін іске қосу және баптау

• 1-қадам: Әр клапанды толық ашып, толық жабыңыз. Табылған позицияның бұйырылған позицияға сәйкес келетінін тексеріңіз: глобус клапандары үшін ±2%, жоғары өнімді көбелек клапандары үшін ±1% шегінде.
• 2-қадам: Қолмен режимде толықтырушы функцияны 25%, 50%, және 75% шығыстарда қолданыңыз. Клапан A осы мәндерге ашылатынын, ал клапан B тиісінше 75%, 50%, және 25% ашылатынын тексеріңіз.
• 3-қадам: Автоматты басқаруды қосыңыз, бастапқы баптауды сақтықпен жасаңыз — пропорционалды коэффициент 0.5 және интегралдық уақыт 60 секунд. Орнатылған мәннің 2%-дан 5%-ға дейінгі кішкентай өзгерісіне циклдің реакциясын бақылаңыз.
• 4-қадам: Пропорционалды коэффициентті біртіндеп арттырыңыз, цикл тоқтаусыз төртінші дәрежелі жауапқа жеткенше. Интегралдық уақытты азайтыңыз, офсет үш-төрт цикл ішінде жоғалуы керек.
• 5-қадам: Орнатылған мәннің 20% үлкен өзгерісіне реакцияны тексеріңіз. Орташа нүктедегі бөлінген диапазон ауысуы діріл немесе тербеліс тудырмайтынын растаңыз — бұл ауысу CSRC циклінің тұрақсыздығының ең көп таралған себебі.

Сондықтан PID шығысының 50% бөлінген нүктеден өтуін мұқият бақылаңыз. Бұл нүктедегі кез келген үзіліс бөлінген диапазон конфигурациясы мен нақты клапан жауап қисықтарының сәйкес еместігін көрсетеді, бұл цикл автоматты қызметке қабылданбас бұрын түзетуді талап етеді.

Қорытынды және іс-әрекетке кеңес

Қосымша бөлінген диапазонды басқару — бір клапан талап етілетін өнімділікке жете алмайтын температура мен құрамды дәл және тұрақты басқару үшін қуатты әдіс. Кері бағыттағы актюаторлық байланыс екі клапанды олардың дәл орташа жұмыс аймағында ұстап, жалпы ағынды тұрақты етеді. Foxboro I/A сериясы мен Allen-Bradley ControlLogix сенімді жергілікті жүзеге асыруларды ұсынады, бұл конфигурация мен іске қосуды жеңілдетеді. CSRC-ны жүзеге асыратын инженерлер клапандардың өлшемін сәйкестендіруге, бірдей позиционер сипаттамаларына, симметриялық бөлінген нүкте конфигурациясына және орташа нүкте ауысуын мұқият баптауға назар аударуы керек, бұл сенімді басқару циклінің жұмысын қамтамасыз етеді.

Автор: Ван Цзяцянг — PLC, DCS және басқару жүйелерінде 10 жылдан астам тәжірибесі бар өнеркәсіптік автоматтандыру инженері.