Pid схема технологического процесса

Среди множества приборов, предназначенных для коммутации, управления и выполнения других функций хочется отметить ПИД-регулятор, используемый в цепях обратной связи. Он устанавливается в системы с автоматическим управлением и поддерживает на определенном уровне значение какого-либо параметра. В большинстве случаев ПИД-регулятор участвует в регулировке температурных режимов и других величин, участвующих в различных процессах.

Общие сведения о ПИД-регуляторе

Аббревиатура ПИД происходит от английского понятия PID, и расшифровывается как Proportional, Integral, Derivative. На русском языке это сокращение включает в себя три компонента или составляющие: пропорциональную, интегрирующую, дифференцирующую.

Принцип работы ПИД-регулятора наилучшим образом подходит для контуров управления, схема которых оборудована звеньями обратной связи. В первую очередь, это различные автоматические системы где формируются сигналы управления, обеспечивающие высокое качество и точность переходных процессов.

В состав управляющего сигнала ПИД-регулятора входят три основных компонента, складывающиеся между собой. Каждый из них находится в пропорции с определенной величиной:

• Первый – с сигналом рассогласования.
• Второй – с интегралом сигнала рассогласования.
• Третий – с производной сигнала рассогласования.

Если какой-либо компонент выпадет из этого процесса, то данный регулятор уже не будет представлять собой ПИД. В этом случае его схема будет просто пропорциональной, пропорционально-дифференцирующей, пропорционально-интегрирующей.

Поскольку эти приборы чаще всего используются для поддержания заданного уровня температуры, в том числе для чайников, целесообразно ПИД-регулятор рассматривать на практических примерах именно в этом ракурсе.

В самом процессе будет участвовать объект, на котором должна поддерживаться заданная температура. Все регулировки осуществляются извне. Другой составляющей будет само устройство с микроконтроллером, которое непосредственно решает имеющуюся задачу. Через измеритель на контроллер поступают данные об уровне температуры на данный момент. Мощность нагревателя отдельно контролируется специальным устройством. Для того чтобы установить требуемое значение параметров температуры, микроконтроллер нужно подключить к компьютеру.

Таким образом, исходными данными служат следующие температурные показатели: текущее значение и уровень, до которого должен нагреться или остыть рассматриваемый объект. На выходе должна получиться величина мощности, передаваемой к нагревательному элементу. Именно она обеспечивает необходимый температурный режим, позволяющий выполнить поставленную задачу. Для ее решения будут задействованы все три компонента, рассмотренные выше.

Три составляющих рабочего процесса ПИД-регулятора

Формирование выходного сигнала осуществляет пропорциональная составляющая. Данный сигнал удерживает входную величину, подлежащую регулировке, на нужном уровне и не дает ей отклоняться. С повышением этого отклонения возрастает и уровень сигнала.

Если на входе регулируемая величина сравняется с заданным значением, то уровень выходного сигнала будет равен нулю. Однако на практике невозможно отрегулировать нужную величину с помощью лишь одной пропорциональной составляющей и стабилизировать ее на определенном уровне. Всегда существует вероятность статической ошибки, равной величине отклонения, поэтому стабилизация выходного сигнала останавливается на этом значении.

Данная проблема решается за счет использования второго, интегрирующего компонента. Его основным элементом является интеграл по времени, взятый от общей величины рассогласования. То есть, интегральная составляющая находится в пропорции с этим интегралом. Данный компонент способен ликвидировать статическую ошибку, так как регулятор постепенно накапливает учет статической погрешности.

Таким образом, при отсутствии внешних воздействий, через определенный период времени регулируемая величина будет приведена в стабильное состояние на отметке правильного значения. В этом случае величина пропорциональной составляющей будет нулевой, а интегрирующая полностью обеспечивает точность выходных данных. Однако и она может вызвать неточности, требующие исправления, в случае неправильного выбора коэффициента.

Эти отклонения устраняются за счет третьих – дифференциальных составляющих, пропорциональных с темпом изменяющегося отклонения величины. Она препятствует отклонениям, возможным в перспективе под влиянием задержек или внешних воздействий. Все три компонента дискретно связаны между собой.

Теория и практика использования ПИД-устройств

ПИД-регулятор температуры способен поддерживать заданное значение какой-то величины на протяжении определенного промежутка времени. С этой целью используется изменение напряжения и других величин, которые можно рассчитать по специальным формулам. При этом учитывается величина уставки и заданного значения, а также разница или рассогласование.

1.

2.

В идеальном варианте напряжение u задается с помощью формулы 1. В ней хорошо просматриваются коэффициенты пропорциональности ПИД-регулятора, предусмотренные для каждого компонента. На практике используется другая формула 2 с коэффициентом усиления, подходящим к любому из трех составляющих.

На практике ПИД-регулирование систем в теоретическом плане анализируются довольно редко. Это связано с недостатком информации о характеристиках регулируемого объекта, нелинейностью и нестабильностью всей системы, когда невозможно использовать дифференцирующий компонент.

Рабочий диапазон устройств, функционирующих на практике, обычно ограничивается верхним и нижним пределами. В связи с нелинейностью, каждая настройка выполняется экспериментально, при подключении объекта к системе управления.

Величина, образуемая с помощью программного алгоритма управления, имеет специфические особенности. Например, для нормальной регулировки температуры может потребоваться вместо одного сразу два прибора: один будет управлять нагревом, а другой – охлаждением. В первом случае осуществляется подача разогретого теплоносителя, а во втором – хладагента. Самым современным прибором считается цифровой ПИД-регулятор, воплотивший в своей конструкции все варианты практических регулировочных решений.

Схема автоматизации при разработке АСУТП является своеобразной объединен­ной функциональной схемой технологического объекта управления, охватывающей так называемое «полевое оборудование» нижнего уровня системы и показывающей его связи с приборами, средствами управляющей вычислительной техники и пункта­ми контроля и управления более высокого уровня.

Схема автоматизации выполняется с учетом требований раздела 2 ГОСТ 2.702-75* ЕСКД, п. 2.4 ГОСТ 24.302-80, раздела 4.1 РД 50-34.698-90 и раздела4.3 ГОСТ 21.408-93 СПДС.

Схема автоматизации разрабатывается в целом на технологический объект управ­ления ТОУ АСУТП или на отдельную инженерную систему (электроснабжение, те­плоснабжение, вентиляция и т. п.) или часть технологической/инженерной системы, процесса и операции: линию, участок, блок, установку, агрегат.

Пример: функциональная схема автоматизации парового котла

Функциональная схема разрабатывается на основании исходных материалов по созданию АСУТП и в первую очередь материалов технологического регламента или отдельных документов, включаемых в «технологический регламент».

Наилучшим вариантом функциональной схемы автоматизации ТОУ является схема, совмещенная со схемой соединений, которая выполняется в составе основного комплекта марки Т по ГОСТ 21.401-88 СПДС или со схемами соединений инженерных систем.

Выполнение совмещенной схемы допускается п. 3.3 ГОСТ 21.404-88 «Техноло­гия производства. Основные требования к рабочим чертежам».

В зарубежной практике применяется разработка PID схем (Process Instrument Diagram). Разработка совмещенной схемы специалистами по технологической час-н (ТХ, ОВ, ВК, ЭМ и др.) совместно со специалистами по разработке АСУТП (.в том числе низового, «полевого» уровня) дает наиболее эффективные решения в обеих частях проекта (например, ТХ и АТХ).

Так как подобная схема выпускается за двумя подписями (ТХ и АТХ), то любое изменение в части ТХ автоматически становится достоянием разработчиков АТХ, -:то снимает многие конфликтные ситуации, возникающие при раздельном выпуске документов — отдельно схем соединений ТХ (ОВ, ВК и др.) и отдельно схем автома­тизации АТХ.

Схема автоматизации (СЗ) при разработке ее отдельно от выпуска схемы со­пений ТХ (ОВ, ВК и др.) должна быть согласована с соответствующими специ­алистами технологической (сантехнической, отопления и вентиляции и др.) части проекта.

Следует учесть, что в схеме соединений (ТХ, ОВ, ВК) согласно п. 3.2 ГОСТ 1 1 -88 должны быть указаны «…трубопроводы и их элементы» со всеми буквенно-цифровыми обозначениями.

Приведем пояснения некоторых терминов.

Технологический блок — комплекс или сборочная единица технологического оборудования заданного уровня заводской готовности и производственной техно­логичности, предназначенные для осуществления основных или вспомогательных технологических процессов. В состав блока включают машины, аппараты, первич­ные средства контроля и управления, трубопроводы, опорные и обслуживающие конструкции, тепловую изоляцию и химическую защиту.

Блоки, как правило, фор­мируют для осуществления теплообменных, массообменных, гидродинамических, химических и биологических процессов. Номенклатура блоков устанавливается ве­домственными нормативными документами, согласованными с министерствами, осуществляющими монтажные работы.

Технологический трубопровод — трубопровод, предназначенный для транспорти­рования различных веществ, необходимых для ведения технологического процесса или эксплуатации оборудования.

Элементы трубопровода — патрубки (трубы), отводы, переходы, тройники, флан­цы, компенсаторы, отключающая, регулирующая, предохранительная арматура, опо­ры, прокладки и крепежные изделия, устройства, устанавливаемые на трубопроводах для контроля и управления, конденсационные и другие детали и устройства.

Устройства, устанавливаемые на трубопроводах для контроля и управления, пока­зываются как элементы трубопровода на схеме соединений или совмещенной схеме.

Буквенно-цифровые обозначения наносятся на полках линий-выносок и соот­ветствуют номеру чертежа элемента.

Элемент (закладной элемент) — это деталь или сборочная единица, неразрывно встраиваемая в технологические аппараты и трубопроводы (бобышка, штуцер, кар­ман, гильза и т. п.).

Подобный элемент в соответствии со СНиП 3.05.07-85 «Системы автоматиза­ции» называется закладной конструкцией или закладным элементом.

Закладная конструкция или закладной элемент должен обеспечивать необходи­мую герметичность технологического оборудования и трубопровода до установки на них прибора автоматизации. Это позволяет проводить гидравлические и пневмати­ческие испытания оборудования и трубопроводов до установки приборов автомати­зации, до начала монтажно-наладочных работ систем автоматизации и АСУТП.

Отборное устройство — устройство, устанавливаемое на технологическом обору­довании или трубопроводе и предназначенное для подвода измеряемой среды к из­мерительным приборам или измерительным преобразователям (датчикам).

Заметим, что согласно п. 2.12 СНиП 3.05.07-85 закладные элементы или конструк­ции для монтажа первичных приборов, для установки отборных устройств давления, рас­хода и уровня и др. (заканчивающиеся запорной арматурой), индивидуальные приборы-расходомеры, расходомеры-датчики, регулирующие и запорные органы, обводные линии (байпасы), материалы для изготовления закладных элементов (конструкций) предусмат­риваются и осмечиваются в технологической части проекта (ТХ, ОВ, ВК).

Узнайте, почему Edraw является лучшим выбором программ для создания P & ID: попробуйте БЕСПЛАТНО.

P&ID более сложна, чем схема технологического процесса. Edraw включает в себя более 2000 векторных символов P&ID, используемых для описания механического оборудования, трубопроводов, компонентов трубопроводов, клапанов, драйверов оборудования и контрольно-измерительных приборов. Получите наиболее полную коллекцию символов P&ID из нашей встроенной библиотеки.

Символы P&ID — оборудование

Насосы и резервуары бывают различных конструкций и форм. У вас есть как абстрактные символы, так и имитационные изображения. Изучите базовые знания о трубопроводах и диаграмме приборов.

Насос — это механическое устройство, использующее всасывание или давление для подъема или перемещения жидкостей, сжатия газов или нагнетания воздуха в надувные объекты, такие как шины.

Центробежный насос — это ротодинамический насос, который использует вращающееся рабочее колесо для увеличения силы и давления жидкостей.

Шестеренчатый насос обеспечивает непрерывный, не пульсирующий поток, что делает его идеальным в химических установках.

Масляный насос широко используется для удаления накопленной воды из колодца или другого места.

Вакуумный насос применяется для повышения эффективности систем парового отопления различными способами. Самое важное соображение — быстрое и эффективное удаление.

Винтовой насос — это винтовой насос Archimedes, который до сих пор используется в оросительных и сельскохозяйственных целях.

Резервуар предназначен для хранения технологических жидкостей различного типа в различных технологических условиях.

Луковый резервуар относится к складной раме с открытым верхом, предназначенной для использования в качестве мобильного хранилища при восстановлении загрязняющих веществ.

Компрессор — это механическое устройство, которое принимает среду и сжимает ее до меньшего объема. Механический или электрический привод обычно подключается к насосу, который используется для сжатия среды.

Осевой компрессор широко используется в газовых турбинах, таких как реактивные двигатели, высокоскоростные судовые двигатели и маломасштабные электростанции.

Поршневый компрессор, как правило, используется там, где высокая степень сжатия требуется на сцену без высоких скоростях потока, и жидкость относительно сухой.

Роторный компрессор — это тип газового компрессора, который использует механизм позитивного перемещения роторного типа.

Смешивание — это устройство, которое объединяет некоторые материалы в одно вещество.

Смесительный сосуд — это контейнер, который используется для смешивания нескольких компонентов вместе.

Теплообменник — это устройство, используемое для передачи тепловой энергии между двумя технологическими потоками. Теплообменники передают тепловую энергию через проводящего и конвективного теплообмена.

Охладительные башни передают тепловую энергию наружному воздуху по принципу испарения.

Охладитель — это устройство, контейнер или помещение, которое охлаждает воздух через испарених вод или поддерживает охлаждение воздуха.

Турбинный привод используется для привода насосов и вентиляторов на нефтехимических заводах.

Печь — это устройство для нагрева непрерывного тока воздуха посредством огня.

Котел — это закрытый сосуд, в котором вода или другая жидкость нагреваются.

Масляная горелка разработана с нуля исключительно для сжигания отработанных масел.

Автоматическая кочегарка применяется для подачи горячей воды в системы центрального отопления.

Пластинчатая башня широко используется во многих процессах и в промышленности.

Упакованная башня — это тип упакованного слоя, используемый для выполнения процессов разделения.

Лифт используется для управления положения носа самолета и угла атаки крыла.

Реактор смешения широко используется в химической промышленности для обеспечения перемешивания.

Символы процесса и контрольно-измерительных приборов — Клапаны

Задвижка — устройство, используемое для управления потока жидкостей и газов.

Обратный клапан, также известный как односторонний клапан, предназначен для предотвращения обратной линии среды.

Клапан глобуса — это механизм, используемый для управления или остановки потока жидкости или газа через трубу.

Шаровой кран — это клапан со сферическим диском.

Дроссельный клапан устанавливается между двумя фланцами с помощью отдельного комплекта болтов для каждого фланца.

Угловой клапан ориентирован под углом 90 ° задвижки.

Символы процесса и контрольно-измерительных приборов — Трубопроводы

На технологических схемах используются специальные линии трубопроводов для представления того, как сигналы передаются между оборудованием. Эти символы используются для определения того, как инструменты в процессе соединяются друг с другом, и какой тип сигнала используется. (Электрические, пневматические, данные и т. д.)

Все линии должны быть точными по отношению к трубопроводам технологического трубопровода.

Основной трубопровод используется для подключения оборудования в любом положении.

Основная прямая линия используется для подключения оборудования в том же горизонтальном или вертикальном положении.

Технологическое соединение помогает создать поток процесса между оборудованием. 2 раза нажмите на процессное соединение для редактирования описания.

Символы процесса и инструментария — Инструменты

Диаграмма технологического процесса использует символы и круги для представления каждого инструмента.

Типы этих обозначений инструментов могут легко изменяться при помощью кнопки быстрого действия.

Больше P&ID символов — Моделирование изображений

включает в себя множество реалистичных изображений, позволяющих диаграммы презентационного качества.

An all-inclusive diagramming software for OS X that is capable for 260+ drawing types including flowcharts, mind maps, org charts, infographics, floor plans, AWS network diagrams, Gantt charts, electrical schematics. and that is just the beginning!