СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ И УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ КЛАПАНА РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА
METHOD OF OPERATING AND OPERATION SYSTEM FOR CONSUMPTION REGULATION VALVE

Область техники
Настоящее изобретение относится, в общем случае, к управлению регулировочным клапаном и, в частности, к управлению регулировочным клапаном, управляющим расходом жидкости или газа.
Уровень техники
Регулировочный клапан в общем случае используется для непрерывного управления расхода жидкости или газа в различных трубопроводах и технологических процессах. В обрабатывающей промышленности, например целлюлозно-бумажной, при очистке нефти, в нефтехимической и химической промышленностях, в системе технологических трубопроводов, для управления расходом материала, устанавливаются регулирующие клапаны различного вида. Поток материала может содержать любой текучий материал, например текучие среды, растворы, жидкости, газы и пар. Регулировочный клапан обычно связан с исполнительным механизмом, который перемещает закрывающий элемент клапана в желаемое открытое положение между полностью открытым и полностью закрытым положениями. Исполнительный механизм может быть цилиндрическим поршнем, например. Исполнительный механизм, то есть его часть, обычно управляется посредством позиционера клапана или направляющей клапана, которые управляют положением закрывающего элемента регулировочного клапана и, таким образом, материальным расходом в процессе в соответствии с управляющим сигналом от контроллера.
Процессы управляются посредством управляющих контуров/схем. Контур управления или схема, состоит, например, из управляемого процесса, регулировочного клапана, измерительного датчика и выходного устройства, и контроллера. Контроллер подает на регулировочный клапан управляющий сигнал, например аналоговый токовый сигнал, или цифровое управляющее сообщение. Измерительный датчик измеряет управляемую переменную, и полученный результат измерения подается назад на контроллер, где он сравнивается с данным опорным значением. На основе разностной переменной контроллер рассчитывает управление для регулировочного клапана. Обычно контроллер функционирует так, что он минимизирует разностную переменную подходящим управляющим алгоритмом, таким как PI или PID алгоритм. Этот управляющий алгоритм обычно настраивается для каждого клапана во время его монтажа или в процессе его работы.
Известное управление расхода, реализованное с регулировочным клапаном, содержит объект, состоящий из регулировочного клапана, контроллера и расходомера. Контроллер типа PID или РЕ принимает заданное значение Qsp расхода и измеренный расход Qm. В PID алгоритме управления предполагается, что регулировочный клапан линеен; то есть что расход линейно зависит от сигнала управления, который также обозначается как линейно заданная характеристика. Когда регулировочный клапан линеен, параметры контроллера Р, I и D могут быть фиксированными значениями. Усиление расхода dQ/dα (Q - расход, α - открытие клапана) установленного регулировочного клапана должно в этом случае быть постоянным, чтобы регулировочный клапан работал стабильно и, насколько это возможно, с минимальной ошибкой по всей зоне регулируемого расхода.
На практике, характеристика регулировочного клапана, установленного в технологическом трубопроводе, нелинейна из-за присущей характеристики клапана, превышения размеров клапана, потерь в трубопроводе и кривой подкачки. Иначе говоря, при различных открытиях клапана увеличение расхода значительно изменяется в условиях процесса. В этом случае усиление PID контроллера должно всегда изменяться, чтобы адаптироваться к каждой рабочей точке для достижения хорошего управления расходом. Другая проблема состоит в том, что наклон установленной характеристики не остается постоянным в той же самой рабочей точке регулировочного клапана, но изменяется, например, когда другие элементы управления, связанные с трубопроводом, выполняют операции управления. Вследствие требования стабильности, параметры контроллера должны часто устанавливаться в соответствии со значением наивысшего увеличения расхода и условиями процесса, и когда изменения имеют место, в области более низкого увеличения расхода, регулируемый расход имеет длительную ошибку из-за медленности его регулирования. Для уменьшения этой проблемы, увеличение расхода, которое изменяется регулярно в соответствии с расходом, может быть скомпенсировано сведенным в таблицу усилением контроллера. На практике, затруднительно найти табличные значения, и они не могут быть использованы для компенсации беспорядочного изменения условий процесса.
Патент Финляндии Fl 53047 раскрывает использование Cv (коэффициент расхода) кривой клапана для управления регулировочным клапаном. В этом известном решении измеряются открытие клапана и перепад давления Δр на клапане. Они считываются для блока управления, в котором сохраняется Cv кривая клапана как функция положения элемента закрытия. При использовании известного уравнения расхода
v
v
v
блок управления рассчитывает необходимое значение Cv и, используя кривую Cv, - необходимое положение элемента закрытия, когда Q=Qsp, G - относительная плотность расходуемого материала и N - постоянный коэффициент. Погрешности в определении Cv кривой клапана, измерение открытия клапана и измеренный перепад давления на клапане проявляются как постоянная ошибка в регулируемом расходе. Уравнения Патента Fl 53047 используют коэффициент k, значение которого может быть k=0.857 × Cv, например. Разность между коэффициентом k и используемым здесь параметром Cv представляет собой используемую единицу.
Сущность изобретения
Цель изобретения заключается в улучшении управления расходом, выполняемым регулировочным клапаном.
Цель настоящего изобретения достигается посредством способа и системы, описанных в приложенных независимых пунктах формулы. Предпочтительные варианты реализации изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы.
В соответствии с одним вариантом реализации изобретения расход измеряется в подходящем местоположении в процессе расхода, и перепад давления на клапане рассчитывается с использованием Cv кривой клапана, измеренного открытия клапана и измеренного расхода. На основе рассчитанного перепада давления, заданного значения расхода (то есть желательного расхода) и обратной Cv кривой клапана рассчитывается новое открытие клапана, обеспечивающее желаемый расход. Управление, таким образом, адаптировано к каждой рабочей точке и превалирующему в ней усилению расхода. Таким образом, управляющий алгоритм изобретения линеаризует зависимость между управлением расхода и расходом.
В варианте реализации изобретения функция интегрирования применяется к ошибке расхода, и расход усиливается до его заданного значения. Расход не будет иметь ошибки, превышающей погрешность расходомера, поскольку управляющий алгоритм в соответствии с вариантом реализации изобретения увеличивает управляющий сигнал открытия клапана посредством интегрирования разности между заданным значением расхода и измеренным расходом, пока открытие клапана не изменится в сторону снижения ошибки. Благодаря настоящему изобретению не требуется определения конкретных заданных коэффициентов усиления для управления, как в PID контроллере. Кривая Cv регулировочного клапана не зависима от условий процесса, и она может быть сохранена тогда, когда регулировочный клапан уже собран. Запуск в условиях процесса не требует установки коэффициентов усиления или изменений коэффициента, или табуляции при изменении условий процесса.
Таким образом, согласно заявленному изобретению предлагается способ для управления клапаном регулирования расхода, при котором определяют имеющееся открытие клапана и перепад давления на клапане, определяют новое открытие клапана на основе Cv кривой клапана, заданное значение расхода, имеющееся открытие клапана и перепад давления на клапане, отличающийся тем, что измеряют расход, упомянутое определение перепада давления на клапане, включает расчет перепада давления посредством Cv кривой клапана, имеющегося открытия клапана и измеренного расхода.
m
m
с
Предпочтительно определяют значения Cv клапана, соответствующего измеренному открытию α клапана на упомянутой Cv кривой клапана, рассчитывают перепад давления Δр посредством измеренного расхода Qm и значения Cv, соответствующего измеренному открытию α клапана, рассчитывают отклонения dQ расхода как разности между заданным значением расхода Qsp и измеренным расходом Qm, интегрируют упомянутое отклонение dQ расхода, рассчитывают скорректированное заданное значение расхода Qc посредством добавления интегрированного отклонения dQ расхода к заданному значению расхода Qsp, рассчитывают новое значение Cv клапана посредством скорректированного заданного расхода Qc и рассчитанного перепада давления Δр, определяют новое открытие клапана α, соответствующего упомянутому новому значению Cv клапана на обратной Cv кривой клапана.
Предпочтительно предварительно сохраняют значения Cv кривой клапана и предпочтительно также значения обратной Cv кривой в устройстве памяти.
Согласно другому варианту выполнения изобретения предложена управляющая система для клапана регулирования расхода, содержащая контроллер для определения нового открытия клапана на основе Cv кривой клапана, заданного значения расхода, имеющегося открытия клапана и перепада давления на клапане, отличающаяся тем, что управляющая система дополнительно содержит расходомер для измерения расхода и что контроллер выполнен с возможностью расчета упомянутого перепада давления посредством Cv кривой клапана, имеющегося открытия клапана и измеренного расхода.
m
m
с
Предпочтительно контроллер содержит средство для определения значения Cv клапана, соответствующего измеренному открытию клапана α на упомянутой Cv кривой клапана, средство для расчета перепада давления Δр посредством измеренного расхода Qm и значения Cv, соответствующего измеренному открытию клапана α, средство для расчета отклонения dQ расхода как разности между заданным значением Qsp расхода и измеренным расходом Qm, средство для интегрирования упомянутого отклонения dQ расхода, средство для расчета скорректированного заданного значения Qc расхода посредством добавления интегрированного отклонения dQ расхода к заданному значению Qsp расхода, средство для расчета нового значения Cv клапана посредством скорректированного заданного значения Qc расхода, и рассчитанного перепада давления Δр, средство для определения нового открытия α клапана, соответствующего упомянутому новому значению Cv клапана на обратной Cv кривой клапана.
Предпочтительно контроллер содержит устройство памяти, в котором предварительно сохраняются значения Cv кривой клапана и предпочтительно также значения обратной Cv кривой.
Предпочтительно контроллер выполнен в одном из следующих аппаратов: направляющая регулировочного клапана, позиционер клапана, интеллектуальное полевое устройство, контроллер распределенной управляющей системы, компьютер управления технологическим процессом, компьютер пункта управления.
Согласно еще одному варианту изобретения предложен контроллер для управления клапаном регулирования расходом, причем контроллер содержит программируемый процессор или вычислительное устройство для определения нового открытия клапана на основании Cv кривой клапана, заданного значения расхода, имеющегося открытия клапана и перепада давления на клапане, отличающийся тем, что контроллер выполнен с возможностью расчета указанного перепада давления посредством Cv кривой клапана, имеющегося открытия клапана и измеренного расхода.
m
m
с
Предпочтительно контроллер выполнен с возможностью определения значения Cv клапана, соответствующего измеренному открытию α клапана на упомянутой Cv кривой клапана, расчета перепада давления Δр посредством измеренного расхода Qm и значения Cv, соответствующего измеренному открытию α клапана, расчета отклонения dQ расхода как разности между заданным значением Qsp расхода и измеренным расходом Qm, интегрирования упомянутого отклонения dQ расхода, расчета скорректированного заданного значения Qc расхода посредством добавления интегрированного отклонения dQ расхода к заданному значению Qsp расхода, расчета нового значения Cv клапана посредством скорректированного заданного значения Qc расхода и рассчитанного перепада давления Δр, определения нового открытия α клапана, соответствующего упомянутому новому значению Cv клапана на обратной Cv кривой клапана.
Предпочтительно контроллер содержит устройство памяти, в котором предварительно сохраняются значения Cv кривой клапана и предпочтительно также значения обратной Cv кривой.
Предпочтительно контроллер содержит программный код, выполняемый в указанном вычислительном устройстве или указанном процессоре.
Согласно еще одному варианту изобретения предложен носитель информации, содержащий программный код, осуществляющий этапы вышеуказанного способа, когда программный код выполняется в компьютере.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение описывается более подробно с показанными в качестве примеров вариантами реализации и в связи с приложенными чертежами, из которых
Фиг.1 - блок-схема примерного устройства управления в соответствии с вариантом реализации изобретения,
Фиг.2 - блок-схема последовательности операций, показывающая примерный управляющий алгоритм в соответствии с вариантом реализации изобретения,
Фиг.3 - блок-схема примерного контроллера, используемого в соединении с регулировочным клапаном,
Фиг.4 - примерная блок-схема того, как контроллер расположен в компьютере управления технологическим процессом, например типа DCS системы управления,
Фиг.5 - блок-схема примера системы управления, реализованной с технологией полевой шины, с которой могут использоваться варианты реализации изобретения,
Фиг.6 - график примерной Cv кривой регулировочного клапана, то есть открытие клапана в зависимости от Cv, и
Фиг.7 - график примерной обратной Cv кривой регулировочного клапана, то есть открытие клапана в зависимости от Cv, и
Фиг.8 и 9 показывают результаты 7 моделирования в состоянии отказа и, соответственно, когда заданное значение расхода изменяется.
Подробное описание
m
с
В примере на Фиг.1, регулировочный клапан 1 связан с технологическим трубопроводом 5 для управления расходом вещества в технологическом трубопроводе 5. Поток материала может содержать любой текучий материал, например текучую среду, растворы, жидкости, газы и пар. Регулировочный клапан 1 перемещается посредством исполнительного механизма и позиционера клапана или направляющей 2. Следует отметить, что структура и функция регулировочного клапана 1 и связанного направляющей и исполнительного механизма 2 не существенны для изобретения. Существенно для изобретения только то, что блок 2 производит измерительную информацию α об открытии клапана и может управляться сигналом α для управления открытием клапана. В подходящей точке после клапана 1 в управляемом процессе расхода имеется присоединенный расходомер (Fl) 4, дающий значение Qm измеренного расхода. Расходомер 4 предпочтительно является расходомером, который уже существует в процессе, или он может быть установлен в процессе для изобретения. Расходомер 4 предпочтительно расположен после клапана 1, но он также может быть помещен в подходящей точке поточного процесса перед клапаном 1.
Блок 3 контроллера выполняет в общем случае функцию управления, осуществляя управление расходом в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, и блок, осуществляющий функцию управления. Контроллер 3 может быть реализован посредством любого блока с достаточными вычислительными возможностями, который может быть удален от регулировочного клапана 1 и его управляющего и исполнительного аппарата 2 или который может быть расположен рядом с регулировочным клапаном 1 и его управляющим и исполнительным аппаратом 2, или объединен с ними, как будет объяснено ниже.
m
То, как функционирует схема управления такого типа, как показано на Фиг.1, в соответствии с вариантом реализации изобретения, объясняется ниже посредством примера и Фиг.2. В соответствии с принципами изобретения, контроллер 3 использует прецизионную информацию, предоставляемую посредством измерения расхода в потоке материала в подходящей точке процесса 5. Этот измеренный расход Qm получен от расходомера 4, например (этап 21 на Фиг.2). Контроллер 3 также принимает измеренное значение α для открытия клапана 1 от управляющего и исполнительного аппарата 2 регулировочного клапана (этап 22). Кривая Cv регулировочного клапана 1 также сохраняется в контроллере 3, например, в табличной форме, в структуре данных другого типа или в виде математической функции. На Фиг.6 показан пример Cv кривой регулировочного клапана, в котором приведены значения Cv как функция открытия клапана. Соответствующие точки кривой (α, С) представлены в табличной форме в Таблице 1.
Таблица1
Cv
открытие α (%)
7
14.63
27
26.83
55
39.02
95
51.22
145
63.41
205
75.61
240
81.71
293
87.80
362
93.90
465
100.00
m
m
m
m
m
Следует отметить, что для ясности показано только небольшое количество точек кривой. На практике может быть сохранено значительно большее число точек. Посредством измеренного открытия α клапана может отыскиваться соответствующее значение Cv(α) кривой Cv клапана на сохраненной Cv кривой (этап 23). Например, если измеренное открытие α составляет 52 процента, соответствующее значение Cv(α) на кривой 6 составляет 96. После этого может быть рассчитан перепад давления Δр на элементе закрытия регулировочного клапана, например для воды, посредством измеренного расхода Qm и значения Cv(α) (этап 24) на основе уравнения расхода (1) в следующем виде:
Контроллер 3 также принимает заданное Qsp значение расхода от контроллера процесса, например, или непосредственно, или через управляющий и исполнительный аппарат 2. Следует отметить, что здесь заданное значение расхода относится к любому сигналу, отображающему желаемый расход. Теперь оказывается возможным рассчитать разность, или ошибку, dQ между заданным значением расхода и измеренным расходом (этап 25)
В варианте реализации изобретения ошибка расхода интегрируется и результат интегрирования добавляется к заданному значению Qsp расхода для получения скорректированного значения расхода, посредством которого открытием клапана можно управлять так, чтобы ошибка была скомпенсирована (этап 26), а именно:
После этого новое значение Cv может быть рассчитано посредством скорректированного значения Qc расхода и перепада давления Δр (этап 27)
с
с
с
Посредством использования обратной Cv кривой регулировочного клапана определяется открытие α клапана, соответствующее новому значению Cv (этап 28). Обратная Cv кривая клапана представляет собой кривую зависимости открытия клапана от значения Cv. На Фиг.7 показана обратная Cv кривая относительно Фиг.6, в качестве примера. Например, если скорректированное значение Cv составляет 250, то соответствующее значение открытия - α=82. Обратная Cv кривая может быть сохранена отдельно, или открытие, соответствующее значению Cv, может быть найдено, например, из Таблицы 1, или соответствующей структуры данных. После этого контроллер 3 выдает новое значение α открытия на управляющий и исполнительный аппарат 2, который перемещает регулировочный клапан в новое открытое положение (этап 29). Затем, управляющий алгоритм возвращается на этап 21, чтобы начать следующий цикл управления.
ds
Когда процесс начат и измеренный расход - Qm=0, перепад давления Δр еще не может быть рассчитан, но устанавливается некоторый наперед заданный перепад давления Δ, предварительно определенный в алгоритме (этап 20).
Следует отметить, что упомянутое уравнение расхода (1, 2) справедливо для воды при определенной температуре, но могут также использоваться и другие известные уравнения расхода. Например, в случае сжатого материала, или расхода кавитирующей текучей среды, в дополнение к Cv могут также быть учтены другие размерные расходные коэффициенты. Однако информация Cv всегда требуется в каждом применении. Для газовых расходов, чтобы получить доступ к информации относительно расхода материала, предпочтительно предоставляется информация об уровне давления на входной стороне клапана.
На Фиг.8 показана моделируемая ситуация, в которой происходит возмущение давления впускного отверстия с входной стороны регулировочного клапана 1, вызывая перепад в измеренном расходе Qm, после чего ошибка становится выше относительно заданного значения Qsp расхода. Управляющий алгоритм в соответствии с изобретением реагирует на это посредством увеличения открытия регулировочного клапана, пока измеренный расход Qm не будет приведен к заданному значению Qsp. Позднее, во время интервала 80, давление на входной стороне возвращается к нормальному и измеренный расход Qm начинает увеличиваться относительно заданного значения Qsp расхода, поскольку регулировочный клапан предварительно адаптирован к возмущению, то есть к низкому давлению впускного отверстия. Управляющий алгоритм изобретения реагирует на изменение в другую сторону ошибки расхода dQ посредством уменьшения открытия регулировочного клапана, пока измеренный расход Qm снова не придет к заданному значению Qsp. Задержка управления определяется главным образом постоянной времени интегрирования ошибки dQ.
На Фиг.9 показано моделирование ситуации, где заданное значение расхода понижено шаг за шагом и снова возвращено шаг за шагом назад к его первоначальному значению. После понижения заданного значения Qsp расхода ошибка dQ велика, и управляющий алгоритм изобретения уменьшает открытие регулировочного клапана до значения, которое снижает измеренный расход Qm до нового заданного значения Qsp. Соответственно, если заданное значение Qsp увеличивается шаг за шагом, управляющий алгоритм изобретения постепенно увеличивает открытие регулировочного клапана до значения, при котором измеренный расход Qm увеличивается до нового заданного значения Qsp.
m
с
Как было отмечено выше, контроллер и управляющий алгоритм изобретения могут быть реализованы в разнообразных вариантах. На Фиг.3 показан пример, в котором контроллер 3 реализован локально так, чтобы он был присоединен или объединен с регулирующим клапаном 21 и его исполнительным механизмом 2. Контроллер 3 может содержать, например, микропроцессор или другой подобный центральный процессорный блок 32, с которым связано устройство 31 памяти, функционирующее как программа и как устройство оперативной памяти. Расходомер 4 подает токовый сигнал (4-20 мА), который пропорционален измеренному расходу Qm и преобразуется аналого-цифровым преобразователем 33 в цифровую форму и затем подается на микропроцессор 32. В качестве входных сигналов микропроцессор 32 принимает также заданное значение Qsp расхода и измеренное открытие α регулирующего клапана. В качестве выходного сигнала, микропроцессор подает управляющее значение α для открытия регулировочного клапана. Эти сигналы могут быть аналоговыми сигналами расхода (4-20 мА), последовательными цифровыми сигналами или другими подходящими аналоговыми или цифровыми сигналами. После запуска микропроцессор 32 выполняет, например, управляющий алгоритм в соответствии с Фиг.2. Решение, показанное на Фиг.3, выгодно тогда, когда, например, существующие регулировочные клапаны обновлены, чтобы функционировать в соответствии с изобретением, или когда реализуется новая окружающая среда для регулировочного клапана, когда сигналы измерения и управления передаются как токовые сигналы 4-20 мА.
m
c
На Фиг.4 показана другая примерная конфигурация, в которой контроллер 3 в соответствии с изобретением расположен в централизованном компьютере 40 управления технологическим процессом, на который измеренный расход Qm подается как токовый сигнал 4-20 мА от расходомера 4. Соответственно, измеренное открытие α клапана также подается от управляющего и исполнительного аппарата 42 регулировочного клапана 1 как токовый сигнал 4-20 мА на управляющий компьютер 40. Компьютер 40 подает значение α для управления открытием как токовый сигнал 4-20 мА на управляющий и исполнительный аппарат 42. Управляющий алгоритм 3 выполняет управляющий алгоритм на Фиг.2, например.
m
с
В качестве другого примера, на Фиг.5 показана распределенная система управления, в которой расходомер 4 и управляющий и исполнительный аппарат 52 регулировочного клапана являются интеллектуальными полевыми устройствами, которые находятся в связи друг с другом и, например, с диспетчерским компьютером 51 через полевую шину 53. Интеллектуальные полевые устройства имеют возможности обработки данных и вычислительные возможности, которые могут использоваться для выполнения управляющего алгоритма изобретения. В этом случае, контроллер в соответствии с вариантом реализации изобретения может быть реализован в интеллектуальном полевом устройстве 52, интеллектуальном расходомере 4 или некотором другом интеллектуальном полевом устройстве распределенной системы управления. Таким образом, заданное значение Qsp, измеренный расход Qm, измеренное открытие α клапана и управляющее значение α для открытия клапана должны перемещаться между контроллером 3, расходомером 4 и управляющим и исполнительным аппаратом 52, как показано выше. Проблема с такими вариантами, как показано на Фиг.4 и 5, расположенными удаленно от контроллера 3 клапана, может заключаться в увеличенной задержке управления, которая может в итоге вредить управлению.
Описание и соответствующие чертежи предназначены только для иллюстрации принципов настоящего изобретения посредством примеров. Различные альтернативные варианты реализации, разновидности и изменения очевидны для специалиста в данной области техники исходя из этого описания. Настоящее изобретение не предполагает ограничения описанными выше примерами, и изобретение может варьироваться в пределах объема притязаний и существа приложенных пунктов формулы.