Цифрови позиционери за вентили
Начало > Автоматизация > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 2, 2010
Притежават безспорни предимства, определящи все по-широкото им разпространение
Изпълнителните механизми са съществен елемент от всяка система за автоматичнорегулиране. Изискванията към тях са много големи, тъй като те са подложени директно на въздействието на регулирания флуид. Често характеристики на управляваната среда са високо налягане и температура, агресивност, абразивност или склонност към кавитация. Качествените изпълнителни механизми, особено моделите специално изпълнения, трябва да запазват оптималните си работни характеристики и в тежки експлоатационни условия. Затова и са обект на непрекъснати подобрения и усъвършенствания от страна на производителите. Основен компонент на съвременния изпълнителен механизъм е позиционерът, който е тема на настоящата статия.
Какво е значението на позиционерите?
Позиционерите се наричат още "регулатори на положение", на които управляващият сигнал представлява заданието, обратната връзка по положението на регулиращия орган е входната променлива, а изходът им осигурява необходимото управляващо въздействие (пневматично, хидравлично или електрическо).
Едно от главните изисквания към работата на регулиращата арматура е точността й. Максимално допустимата грешка (с отчитане на повторяемостта, хистерезиса, разрешаващата способност и т.н.) трябва да е по-малка от 2%. По отношение на стабилността, не се допуска повече от едно излизане извън зоната от 2%, при преместване, което е равно на половината ход. За да бъдат изпълнени тези условия, използването на позиционер е задължителна. Важността на позиционера спрямо работата на изпълнителния механизъм като цяло би могла да се илюстрира със следния пример. На фиг. 1 са дадени резултатите от проведени изпитания на 31 броя пневматични регулиращи вентили. Видно е, че в 21 от вентилите са били открити проблеми с позиционерите по време на тестовете. Затова значението им е голямо, а то обяснява и високите изисквания към тяхната надеждна работа. Решителна стъпка към изпълнението на сериозните изисквания към тях бе направена с разработването на цифровите позиционери.
Интелигентните позиционери
Масовото навлизане на цифровата електроника доведе до значително усъвършенстване на устройствата за автоматизация. Наред с повишаването на надеждността и точността, цифровите технологии създадоха нов тип функционалност на приборите, което даде основания те да бъдат наричани "интелигентни". Широко разпространен у нас е и английският термин smart.
Дори и един незадълбочен преглед на пазара би показал чувствителни разлики във философията на конструкцията и допълнителните опции за употреба на предлаганите интелигентни позиционери. В единия край на спектъра са устройствата, при които производителите са внедрили микропроцесор в съществуващ позиционер, превръщайки го в "интелигентен". В другия край на спектъра са позиционерите, конструирани изцяло върху нова концепция, за да придобият предимствата на сегашните и на бъдещите цифрови технологии.
Ползите, които предлага първата група позиционери, са еднозначни. Обаче, втората група включва устройства, съответстващи на съвременните разбирания за интелигентност. Затова и те са придобили известност като цифрови контролери за вентили - ЦКВ (DVC - digital valve controllers) или цифрови позиционери за вентили - ЦПВ (DVP - digital valve positioners).
Основни предимства на интелигентните устройства са не само тяхната гъвкава функционалност и повишена надеждност - "умните" позиционери могат да изпреварват и да предвиждат това, което ще се случи.
Основните характеристики на цифровите позиционери за вентили са:
l Наличие на вграден микропроцесор (микропроцесори);
l Вградени сензори;
l Сензори за обратна връзка;
l Цифрова комуникация;
l Развита система за диагностика;
l Специализирани алгоритми.
Много от производителите вграждат различни дискретни и аналогови сензори в своите цифрови позиционери. Прегледът на пазара обаче показва, че всеки производител се опитва да разработи конструкцията на неговия ЦПВ чрез използването на различен начин на вграждане на сензори в тях. Например, цифровите позиционери на водещ американски производител на регулираща арматура разполагат с един дискретен изход (DO - digital output) и четири дискретни входа (DI - digital input) за сертифицирани Foundation Fieldbus функционални блокове. В допълнение, за да отговори на сертифицираните DI и DO функции, разработчикът е използвал сензори за близост вместо стандартните DI (например крайни изключватели за положение).
Сред предимствата от използването на групи от конфигурируеми сензори за близост е опознаването на "нулевото" или 100% местоположение на регулиращия орган в приложения, като например аварийното изключване.
Самодиагностика
Цифровите позиционери използват вградени сензори и микропроцесори, за да провеждат множество диагностични тестове и за да управляват цифровата комуникация от или към главната система. В зависимост от производителя, се изпълняват различни тестове и информацията се събира и обменя с главната система посредством методите на полевата магистрала, динамичното сканиране или т.нар. авангардна диагностика.
Например, един от водещите европейски производители на средства за автоматизация е възприел концепция, която позволява на крайните потребители да инсталират в цифровите позиционери необходимото ниво от свойства и диагностични процедури, подходящи за конкретното приложение. По този начин не само се избягват сложните настройки в процеса на наладката и при първоначалния пуск, но се премахват и излишните алармирания по време на работа.
Диагностични възможности на позиционерите
В обобщен вид диагностичните функции, поддържани от позиционерите на повечето водещи производители, включват:
l Параметри по проследяване на регулиращия орган за наблюдение на пълния ход и на броя на циклите "отваряне-затваряне";
l Параметри на цифровия позиционер, служещи за алармени сигнали при тестове на паметта, микропроцесора и/или проблеми със сензорите. Чрез тях освен аларми към оператора е възможно и да се предприемат действия по аварийно изключване и др.;
l Предупредителни съобщения, касаещи работата на регулиращия орган. Те се изпращат, когато са надхвърлени зададените отклонения в хода, границите за "отворено" и "затворено" (или "долно" и "горно") положение и натрупания ход или броя цикли.
l Тестове за проверка на обхвата на динамичната грешка и оценка на хистерезиса и мъртвата зона на регулиращия орган;
l Тестове на задвижването и изходния сигнал, които променят заданието на преобразувателя в регулируемия обхват и проследяване работата на регулиращия орган за определяне на динамичните характеристики;
l Определяне периодите за поддръжка на регулиращия орган и първоначални изпитания.
Някои цифрови протоколи за полева комуникация съдържат и тестове за доопределяне на стъпките по поддръжката, както и крайната дата (като време) за нормална работа на изпълнителния механизъм.
Три дефинирани теста при използване на Foundation Fieldbus
В случай че се използва Foundation Fieldbus, са налични три дефинирани теста, обработващи преобразувателния блок на заданието и наблюдаващи изходното налягане към задвижването и хода на регулиращия орган. Тези три диагностични теста са "публични", т.е. всяка управляваща система, съдържаща Foundation Fieldbus описатели на устройствата (Device Descriptions), би могла да изпълнява диагностични тестове на ЦПВ.
Някои производители на ЦПВ включват и четвърта, динамична стъпка за изпитване, предвидена за определяне на текущото действие на регулиращия орган, и "маркират" (т.е. запаметяват) неговите начални характеристики. Ако изпълнителният механизъм е нов, тази марка се превръща в репер за бъдещи сравнения. Ако устройството е сервизирано, то новата марка може да бъде сравнявана с първоначалната и по този начин да се определи кога трябва да се извърши следващия ремонт и/или калибриране.
По-широка област на приложение
Първоначално технологията на цифровите позиционери е била прилагана за замяна на традиционните електропневматични преобразуватели (I/P), монтирани на ротационни или на възвратно-постъпателни изпълнителни механизми. Но крайните потребители, опознавайки технологията на ЦПВ, започват да обсъждат и други приложения на цифровите позиционери. Така производителите, работейки съвместно с потребителите, разработват нови функции, превръщайки ЦПВ във все по-интелигентни и адаптивни устройства.
Могат да бъдат дадени два примера, в които технологията на цифровите позиционери дава сериозни предимства - тестове на "частичен ход" на вентили за аварийно изключване (emergency shutdown (ESD) valves) и демпфери на задвижването.
Вентилите за аварийно изключване
имат много високи изисквания по отношение на надеждността, което е логично предвид факта, че работата им е свързана с безопасността, отказът им би могъл да доведе до тежки аварии, замърсяване на околната среда и пр. От друга страна, междуремонтният пробег на съоръженията е съществен икономически показател за компаниите от тежката индустрия. Така, ако даден вентил трябва да премине на всеки две години пълни тестове за определяне на неговата работоспособност, възниква въпросът не би ли могло този срок да бъде удължен, без да се влиза в нарушение на нормативната база? Отговорът е да, когато се спазват т.нар. добри производствени практики, каквато е провеждането на тестове на "частичен ход" на вентилите.
Демонтирането на един вентил и провеждането на изпитания в специализирана лаборатория не е евтино мероприятие, а и е свързано и със сериозни производствени разходи. Друга възможност е вентилът да бъде тестван на място, при подходящите производствени условия, но това също създава смущения в производството. Съществува и трета възможност - вентилите да бъдат тествани на място, но не при пълния си ход, а при частичен (например 15%), но за сметка на това на много по-къс интервал от време - примерно на шест месеца. По този начин пълните им тестове в специализирана лаборатория ще се провеждат вече на четири, пет или повече години, но на много малки интервали от време ще се изпитват на частичен ход, което не води до почти никакви смущения в производствения процес. Изпитанията на частичен ход дават на персонала по поддръжката актуална информация за работоспособността на вентилите.
Вторият пример е свързан с използването на демпфери на задвижването
Изцяло механичните позиционери работеха добре в продължение на много години в най-различни приложения, включително в горивни инсталации инсталации и парни котли. Обаче специално при изгарянето на въглища, където работната среда е силно замърсена, механичните позиционери са подложени на бързо износване. Като резултат се получава изхабяване на специалните гърбици, които служат за корекция на характеристиката на регулиращия орган, както и разхлабена, с големи луфтове лостова система за обратната връзка по положение. Това води до сериозни смущения в работата на изпълнителния механизъм, а оттам и на управлявания процес. Изпълнителният механизъм не може да заеме точното положение, определено от регулатора на контура и започва да се колебае около него. На жаргон това състояние се нарича "дишане" на позиционера. Освен това, извършвйки тези непрекъснати движения около точното положение за регулиране, движещите се части на изпълнителния механизъм още по-бързо се износват, луфтовете се увеличават и се влошава характеристиката, задавана от гърбицата.
Технологията на ЦПВ предлага много добра алтернатива за избягване или намаляване на описаните нежелани ефекти. Цифровите позиционери включват независим преобразувател за обратна връзка, чрез който осигуряват точното позициониране, зададено от регулатора (управляващата система). В допълнение, някои ЦПВ притежават и:
l Механична блокировка при отпадане на пневматичното захранване;
l Вградени алгоритми за самонастройка. Когато бъде стартирана такава процедура, позиционерът определя актуалното състояние на механичните възли (степен на изхабяване или износване) и внася корекция, чрез която в голяма степен компенсира нежеланите ефекти от продължителна работа;
l Възможност за ръчна настройка, чрез специален волан или лостов механизъм;
l Допълнителни сензори за крайните положения на регулиращия орган. С помощта на информацията от тях се извършва допълнителна проверка за достоверността на положението.
Бъдещи тенденции в развитието на цифрови позиционери
Едва ли някой се съмнява в безспорните предимства и ползи, които осигуряват цифровите позиционери. Неслучайно, според данни от проведени проучвания, отнасящи се за 2000 г., скоро след навлизането им на пазара, продажбите на цифрови позиционери в световен мащаб достигнаха 130 милиона долара.
Друг фактор, подпомагащ бързото навлизане на цифровите позиционери, е тяхната модулна конструкция. Това означава, че в повечето случаи един механичен и вече остарял позиционер може да бъде подменен с цифров. При това потребителят не е длъжен да търси продукт на същия производител, а може да избере измежду предлаганите на пазара. В този случай високата степен на приспособимост и универсалност на цифровите позиционери е ценно тяхно качество.
Голяма част от производителите на цифрови позиционери разработват продуктите си в съответствие с изискванията на Немската асоциация на електротехническата и електронната индустрия ZVEI (Zentralverband der Elektrotechnik und Elektronikindustrie) със седалище Франкфурт. Едно от важните предимства на този факт е прилагането на стандартен FDT (field device tool - инструмент за полеви устройства), като част от използвания софтуер.
Чрез използването на стандартизирания FDT на ZVEI става възможно да бъдат интегрирани в обща система за автоматизация устройства на различни производители. Употребата на FDT на ZVEI е напълно независима от вида на цифровия протокол за полева комуникация.
Развитието на цифровите позиционери несъмнено ще бъде в посока подобряване на вече постигнатото - използване на безконтактни сензори за положение, по-съвършени алгоритми за самонастройка, усъвършенстване на самодиагностиката. Няма да е учудващо, ако в скоро време видим цифров позиционер, притежаващ възможностите на една истинска експертна система.
И накрая, но не по значение, все по-разширяваща се е тенденцията за присъединяване на цифровите позиционери към компютризираните системи за управление на поддръжката. По този начин става възможно напълно автоматичното генериране на поръчки за работата на базата на резултатите от диагностиката, провеждана от ЦПВ.
Вижте още от Автоматизация
Новият брой 8/2024
