Государственный ордена Трудового Красного Знамени проектный институт
«ПРОЕКТМОНТАЖАВТОМАТИКА»

РУКОВОДЯЩИЙ МАТЕРИАЛ

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ДИАМЕТРОВ ЛИНИЙ СВЯЗИ В ПНЕВМАТИЧЕСКИХ САКР

МЕТОДИКА И НОРМАТИВЫ

РМ4-87-88

Срок введения 1 января 1989 г.                                                                 Взамен РМ4-87-69

Главный инженер                                                                                                   Н. А. Рыжов

Начальник отдела                                                                                                   A. M. Гуров

Главный специалист                                                                                         В. С. Прусенко

1988

В работе рассматривается методика выбора оптимальных по динамическим свойствам диаметров линий связи в пневматических системах автоматического контроля и регулирования технологических процессов; приводятся числовые значения параметров, определяющих динамические свойства пневматических линий связи различных диаметров и различных длин, работающих с различными типами приборов и регуляторов.

Приведенные в работе методические указания и нормативы основываются на результатах обработки снятых экспериментально временных характеристик линий связи, наиболее часто встречающихся в практике автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности.

СОДЕРЖАНИЕ

1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Одной из характерных особенностей систем автоматического контроля и регулирования (САКР) технологических процессов (ТП) и в частности систем автоматического регулирования (CAP), реализуемых на базе аппаратуры пневмоавтоматики, является наличие в них пневматических каналов связи (ПКС), представляющих собой совокупность передающих и приемных устройств, соединенных линиями связи (рис.1), инерционность которых оказывает отрицательное влияние на работу измерительных приборов и регуляторов, что, как следствие этого, приводит к ухудшению качества работы САКР ТП в целом. Особенно остро это влияние проявляется в CAP. В ряде случаев инерционность ИКС является критерием самой возможности реализации CAP. По причине инерционности линий связи в критических условиях может оказаться в ряде случаев также и система автоматического контроля, реализуемая на базе аппаратуры пневмоавтоматики.

Для целей автоматизации технологических процессов в отечественной промышленности широкое применение получили пневматические регуляторы 04, 04М, АУС, «Старт», а также работающие в комплекте с ними пневматические датчики, вычислительные устройства, вторичные измерительные приборы, станции управления, исполнительные устройства и другая аппаратура. Передача пневматических сигналов от датчиков к вторичным измерительным приборам, регулирующим и вычислительным устройствам, а также от регулирующих устройств к исполнительным устройствам (позиционерам, исполнительным механизмам и регулирующим органам) производится посредством металлических либо пластмассовых трубопроводов с внутренним диаметров 4,0; 4,8 и 6,0 мм. Здесь трубопроводы выполняют функции пневматических линий связи (ПЛС).

ПЛС, как будет показано ниже, представляет собой сложное динамическое звено с распределенной по длине емкостью. Структурно ПЛС может быть представлена двумя последовательно соединенными динамическими звеньями: звеном чистого запаздывания с передаточной функцией  и апериодическим звеном первого порядка с передаточной функцией  где  - время чистого запаздывания;  - постоянная времени;  - оператор дифференцирования.

Рис. 1. Кривые разгона пневматической линии связи

1, 3 - при наполнении сжатым воздухом;

2, 4 - при опорожнении;

5, 6 - аппроксимирующие звенья

Параметры  и  характеризуют инерционность ПЛС. Последняя (инерционность) определяется гидравлическим сопротивлением и емкостью линии связи. Она зависит от длины и внутреннего диаметра трубопровода от мощности (пропускной способности) усилителя на выходе датчика, задатчика, регулирующего и вычислительного устройств и ряда других факторов. При этом увеличение длины ПЛС приводит к увеличению как ее сопротивления, так и емкости, а следовательно и инерционности. Увеличение диаметра трубопровода приводит к уменьшению его сопротивления и, следовательно, к уменьшению инерционности ПЛС; вместе с тем увеличение диаметра трубопровода вызывает увеличение его емкости, что при ограниченной пропускной способности усилителя мощности приводит к увеличению инерционности ПЛС.

Таким образом, для каждого типа датчика, регулирующего или вычислительного устройства (для их усилителей мощности) существует оптимальный с точки зрения инерционности (динамических свойств) внутренний диаметр трубопровода, используемого в качестве ПЛС.

Приведенные в данном руководящем материале рекомендации по выбору внутренних диаметров труб для ПДС основываются на результатах испытаний динамических свойств ИКС, содержащих линии связи различной длины и различного диаметра, работающих с регуляторами различных типов (Технический отчет Т04-3-68). Однако, за прошедшее после первого издания (после 1969 года) время в пневмоавтоматике произошел ряд существенных изменений: в составе ПКС увеличилось количество коммуникационной аппаратуры (переключателей, клемм), соединительных и присоединительных устройств ПЛС (главным образом пластмассовых) при одновременном сужении их проходов, обусловивших необходимость проведения дополнительных испытаний динамических свойств ИКС, результаты которых (Технический отчет Т04-70-88) также учтены в данном руководящем материале.

2. ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ИНЕРЦИОННОСТЬ (ДИНАМИКУ) ПЛС

Поставленная в данной работе задача сводится к разработке методики и нормативов по выбору оптимальных диаметров линий связи в пневматических САКР. Оптимальность ПЛС здесь рассматривается в смысле их инерционности (динамических свойств), т.е. ставится задача выбора внутренних диаметров трубопроводов, которые при равных прочих условиях будут иметь минимальную инерционность.

В данном разделе устанавливается параметры, определяющие инерционность (динамические свойства) ПЛС. При этом инерционность ПЛС оценивается по их динамическим характеристикам, в частности по временным характеристикам - кривым разгона.

Характерный пример временной характеристики (кривой разгона) ПЛС показан на рис. 1. Здесь показаны временные характеристики ПЛС с внутренним диаметром трубопровода  мм и длиной  м при работе ее с регулятором «Старт» в режиме опорожнения сжатым воздухом и в режиме опорожнения. На рисунке сплошными линиями показаны кривые разгона, полученные экспериментально; пунктирными линиями - кривые разгона цепочки из двух последовательно соединенных динамических звеньев: звена чистого запаздывания с передаточной функцией  и апериодического звена первого порядка с передаточной функцией . Используя свойства указанных звеньев действительная временная характеристика ПЛС с достаточной для практики точностью аппроксимируется теоретической характеристикой цепочки идеальных звеньев.

Приведенные на рис. 1 временные характеристики (кривые разгона) являются типичными для ПЛС большой протяженности (100 - 300 м). Заметим, что представленная на рис. 1 кривая разгона фактически является кривой разгона ИКС поскольку включает в себя инерционность передающего и приемного устройств (усилителя мощности УМ и вторичного измерительного прибора ВИП). Однако при такой длине линии связи инерционность передающего и приемного устройств составляет такую малую долю, от инерционности линии связи, которой можно пренебречь. На основании этого можно утверждать, что кривые разгона ИКС и ПЛС при длине последней более 100 м практически не отличаются друг от друга. Поэтому полученные экспериментально кривые разгона ПКС можно считать также кривыми разгона ПЛС.

При рассмотрении временных характеристик на рис. 1, полученных экспериментально, можно заметить, что форма их начальных участков довольно близко совпадает с характеристикой звена чистого запаздывания. Поэтому начальные: участки временных характеристик НДС можно характеризовать временем чистого запаздывания .

Форма возрастающего (в режиме наполнения), а также убывающего (в режиме опорожнения) участков приближается к форме экспоненты. Эти участки можно характеризовать двумя параметрами:  (либо ) и  (либо ), где  и  - время, в течение которого давление в конце ПЛС повысится до 63 или 99% от верхнего предела максимального скачкообразного входа, что в диапазоне 0,2-1,0 кгс/см² будет равно 0,704 и 0,992 кгс/см² соответственно;  и  - время, в течение которого давление в конце ПЛС понизится до 37 или 1,0% от верхнего предела максимального скачка (0,496 и 0,208 кгс/см² соответственно). При этом время  и  имеет практическое значение при оценке динамических свойств ПЛС в CAP, время  и  - при оценке динамических свойств ПЛС в системе контроля. Заметим, что  и  - время за вычетом  (см. рис. 1).

Если бы временная характеристика ПЛС на возрастающем, а также на убывающем участках полностью соответствовала экспоненте, то время  (либо ) можно было бы принять за постоянную времени  апериодического звена первого порядка. Однако этот участок существенно отличается от экспоненты, особенно в конце переходного процесса. Одной из причин такого отличия является специфика работы аппаратуры пневмоавтоматики в диапазоне изменения стандартизованного сигнала, т.е. изменения давления сжатого воздуха в диапазоне 0,2-1,0 кгс/см². По этой причине время  (а также ) не может с достаточной точностью приниматься за величину постоянной времени . Обработкой большого количества экспериментов удалось установить, что возрастающий, а также убывающий участки временной характеристики ПЛС можно с достаточной практической точностью аппроксимировать характеристикой апериодического звена первого порядка, т.е. экспонентой, приняв в режиме наполнения за величину постоянной времени  апериодического звена время  (либо  в режиме опорожнения), уменьшенное на 10 - 15%.

При аппроксимации временной характеристики ПЛС характеристикой цепочки двух звеньев: звена чистого запаздывания и апериодического звена первого порядка, время чистого запаздывания , полученное экспериментально, также не может быть принято за параметр  аппроксимирующего звена чистого запаздывания. Практически величина  получается несколько больше величины . Она определяется как величина отрезка на оси времени временной характеристики, образованного пересечением касательной, проведенной к точке перегиба временной характеристики, с осью времени.

Итак в качестве параметров, определяющих инерционность ПЛС, могут быть приняты:

для ПЛС, работающих в CAP - время чистого запаздывания  и постоянная времени ;

для ПЛС, работающих в системах контроля - время  (либо ).

Здесь следует иметь в виду, что длинная ПЛС при работе ее в реальной САКР является довольно сложным нелинейным динамическим звеном. Принятая в данной работе аппроксимация является приближенной. Степень приближения видна из рис. 1.

Опыт изучения переходных процессов в САКР показал, что принятая аппроксимация динамических характеристик ПЛС большой протяженности вполне допустима. Она рекомендуется для широкого применения в практике синтеза и анализа САКР.

3. ОПТИМАЛЬНЫЕ ДИАМЕТРЫ ТРУБ ДЛЯ ПЛС И ЧИСЛОВЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ИНЕРЦИОННОСТЬ ПЛС

В результате проведения испытаний динамических характеристик ПЛС и обработки полученных результатов установлено:

1. Оптимальным по динамическим свойствам внутренним диаметром трубопровода, используемого в качестве ПЛС для регуляторов 04, АУС, «Старт» и датчиков с усилителями мощности, такими, как в указанных регуляторах, является 4,8 - 5,0 мм при длине ПЛС до 300 м.

Для ПЛС длиной до 150-200 м, работающих с указанными регуляторами и датчиками, представляющих подавляющее большинство линий связи в пневматических системах автоматизации технологических процессов целесообразным размеров внутреннего диаметра трубопровода по конструктивным и экономическим соображениям является 4,0 мм. Здесь учитываются числовые значения параметров  и  для линий связи, выполненных из труб с внутренним диаметром 4,8 и 4,0 мм. Разница в абсолютных значениях этих параметров несущественна, что подтверждает возможность принятия такого решения.

В подтверждение приведенного вывода на рис. 2 и 3 представлены графики зависимости значений параметров  и  от длины  для ПЛС с внутренним диаметром трубопроводов 4,0; 4,8; 6,0 и 8,0 мм при работе их без усилителя мощности (в режиме ручного дистанционного управления с помощью ручного задатчика), с регулятором 04 и с регулятором «Старт». Показанное на графиках зависимости установлены экспериментально.

2. Обобщенные значения параметров , ,  определяющих динамические свойства ПЛС при работе их в комплекте с различными регуляторами, приведены в таблице 1 и на рис. 4.

Заметим, что таблица 1 и графики на рис. 4 построены исходя из ряда допущений, а именно:

Первое допущение. Как показали опыты временные характеристики ПЛС при работе их с регуляторами «Старт» практически не отличаются от временных характеристик линий связи при работе их с регуляторами АУС. Это позволило принять числовые значения , ,  для ПЛС при работе их с регуляторами АУС и 04М те же, что и для ПЛС при работе их с регуляторами «Старт». Принимая во внимание такое решение было учтено, что регуляторы 04М оборудованы усилителями мощности АУС.

Второе допущение. Опытным путем установлено, что время наполнения линии связи сжатым воздухом несколько меньше, чем опорожнения (см. рис. 1). Однако числовые значения , ,  в таблице 1 и в графиках на рис. 4 даны однозначно. Последние приняты по максимальным их значениям. Такое допущение существенно упрощает пользование данным материалом при проектировании САКР, не снижая его практической ценности.

Рис. 2. Графики зависимостизначений параметра  ПЛС от ее диаметра  и длины

Рис. 3. Графики зависимости значений порометра  ПЛС от ее диаметра  и длины

Кроме указанных, в таблице 1 приведены параметры ПЛС: объем  и максимальный расход сжатого воздуха  в режиме наполнения. Эти параметры могут быть использованы при выборе аппаратуры питания.

3. Приведенные в п.п. 1 и 2 выводы относятся к ПЛС, работающих с другими типами регуляторов, датчиками, задатчиками, вычислительными устройствами, усилители мощности которых аналогичны усилителям мощности регуляторов 04, АУС, «Старт». Они относятся также к ПЛС, соединяющих регулирующие устройства с исполнительными механизмами. Однако эти выводы относятся лишь к системам, в которых исполнительные механизмы оборудованы позиционерами. Если же исполнительные механизмы не оборудованы позиционерами, то при прочих равных условиях  увеличивается в 2-4 раза, а  - в 3-10 раз. Здесь увеличение  и  происходит тем больше, чем больше объем рабочей полости исполнительного механизма. В связи с этим использование в CAP исполнительных механизмов без позиционеров в ряде случаев недопустимо.

В тех случаях, когда конструкция исполнительного механизма не допускает установки позиционера, следует на конце линия связи (перед исполнительным механизмом) устанавливать усилитель мощности. С точки зрения уменьшения инерционности ПЛС такое решение является равносильным установке позиционера. Однако усилитель мощности, установленный перед исполнительным механизмом, не может полностью заменить позиционера, так как при таком решении исполнительный механизм не приобретает детектирующих свойств, которые он имеет при установке позиционера.

4. Числовые значения , ,  для ПЛС длиной более 300 м могут быть определены расчетным путем, т.е. перемножением передаточных Функций отдельных участков линия связи, например 300 м 100 м, 300 и 200 м и т.д., с последующей аппроксимацией полученных результатов. Наиболее простым для этих целей является графический метод определения временных характеристик цепочек последовательно соединенных динамических звеньев, достаточно подробно рассмотренный в литературе по автоматическому регулированию, например в [7].

Таблица 1.

Обобщенные показатели динамических свойств ПЛС