Illustration des Prinzips der Stufensteuerung und Anwendungen der Stufensteuerung

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Dieser Beitrag wurde zuletzt von yunrun am 18.06.2020 um 15:58 bearbeitet. Die Stufensteuerung kommt in der Petrochemieproduktion häufig zum Einsatz. In diesem Artikel teilt Changhui Instruments Kenntnisse über das Prinzip der Stufensteuerung sowie deren Anwendung, damit Techniker solche Steuerungssysteme effektiv konstruieren und nutzen können. Stufensteuerung yunrun.com.cn/tech/2611.html Ein einfaches Regelungssystem mit negativer Rückkopplung – in der Regel steuert die Ausgangssignale des Reglers nur einen Aktuator oder ein Steuerventil, wie in Abbildung 1 dargestellt. http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111756353175.png Abbildung 1: Blockdiagramm eines Einzugssteuerungssystems
http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111613141692.png Abbildung 2: Darstellung der Eigenschaften eines Regelventils
Wenn die Ausgabe eines Reglers gleichzeitig an zwei Steuerventile weitergeleitet wird, kann ein Stufensteuerungssystem entstehen, wie in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt. Diese beiden Ventile werden parallel verwendet und sind beide pneumatisch gesteuerte Ventile. Zwei Ventile bewegen sich bei unterschiedlichen Steuersignalen über ihren gesamten Hub von voll geöffnet bis voll geschlossen. http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111627181650.png Abbildung 3: Blockdiagramm des Stufensteuerungssystems
http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111629546169.png Abbildung 4: Arbeitsmerkmale des Stufensteuerungssystems
Da pneumatische Regelventile sowohl eine Öffnungs- als auch eine Schließfunktion haben, ergeben sich für die beiden Ventile insgesamt vier Kombinationen von Eigenschaften. Wie in den Abbildungen 5 bis 8 dargestellt. Abbildung 5 und Abbildung 6 zeigen eine Bewegung der Ventile in derselben Richtung, während Abbildung 7 und Abbildung 8 zeigen, dass die beiden Ventile in entgegengesetzten Richtungen wirken. Obwohl die Stufensteuerung durch mehrere Ventile gemeinsam realisiert werden kann, wird in der Regel eine Aufteilung auf zwei Ventile verwendet. http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111643377379.png
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Abbildung 5, Abbildung 6
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Abbildung 7, Abbildung 8
Anwendung der Stufensteuerung:
1. Erhöhung des Regelbereichs der Ventile
Durch die Steuerung des Ventils kann der minimale Durchfluss als Qmin und der maximale Durchfluss als Qmax festgelegt werden. Der Regelbereich wird dabei als R = Qmax/Qmin definiert. Bei den meisten inländisch hergestellten Ventilen beträgt dieser Regelbereich 30. In einigen Fällen reicht das nicht aus – es ist daher notwendig, den Regelbereich zu erhöhen, um größeren Schwankungen der Last gerecht zu werden und die Qualität der Steuerung zu verbessern. Dazu kann die Stufensteuerung eingesetzt werden. http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111643377379.png Als Beispiel wird hier die Ventilsteuerung in dem obigen Bild herangezogen. Angenommen, der maximale steuerbare Durchfluss beträgt 200, R=30 – dann beträgt der minimale steuerbare Durchfluss 200/30 = 6,67. Nach Einführung der Stufensteuerung arbeiten die beiden Ventile in unterschiedlichen Steuersignalbereichen. Für das Gesamtsystem, das aus diesen beiden Ventilen in Parallelschaltung besteht und eine Stufeneinstellfunktion erfüllt: Es ist möglich, einen minimalen Durchfluss von Q′min = Qmin = 6,67 zu steuern ； Der maximale Durchfluss kann auf Q′max=2×Qmin=400 begrenzt werden. Dann beträgt der einstellbare Verhältniswert R′=Q′max/Q′min=400/6,67=60. Damit hat sich das einstellbare Verhältnis verdoppelt. 2. Wechselnde Einsatz von verschiedenen Arbeitsmethoden: Im industriellen Produktionsprozess ist es manchmal notwendig, unterschiedliche Steuerungsverfahren anzuwenden – wie in den Beispielen in Abbildung 9 bis 10 dargestellt. http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111712531944.png
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Abbildung 9: Steuerungskonzept für die Stickstoffabschirmung in Tanks (Ventil A ist für den Gasstrom geschlossen, Ventil B für den offenen Gasstrom).
Abbildung 10: Diagramm zur Darstellung der Steuerungsmerkmale der Stickstoffabschirmung.
Durch die Abschirmung mit Stickstoff wird sichergestellt, dass der oberste Teil einiger Öltanks mit Stickstoff gefüllt wird – dadurch wird eine Reaktion zwischen dem Öl und dem Sauerstoff in der Luft verhindert. Der Oberbereich des Tanks ist mit Stickstoff gefüllt, um einen leicht positiven Druck aufrechtzuerhalten. Mit der Änderung des Flüssigkeitsniveaus ändert sich auch der Druck an der Oberfläche. ◆Steigender Flüssigkeitsspiegel bedeutet einen Anstieg des Drucks. Ein fallender Flüssigkeitsspiegel führt zu einem Rückgang des Drucks. Es ist nicht zulässig, dass der Druck in den Tanks zur Aufbewahrung von Stickstoff- oder Ölprodukten stark ansteigt oder stark sinkt. ◆Prozess der kontrollierten Stickstoffzufuhr: Wenn der Flüssigkeitsspiegel ansteigt, schließt sich Ventil B und öffnet sich Ventil A, wodurch Stickstoff abgeleitet wird, um den Druck konstant zu halten. ◆ Wenn der Flüssigkeitsspiegel sinkt, öffnet sich Ventil B und schließt sich Ventil A, wodurch Stickstoff zugeführt wird, um den Druck konstant zu halten. ◆ Wenn der Flüssigkeitsspiegel nur geringfügig schwankt, schwankt auch der Druck in begrenztem Maße. In diesem Fall greift das Steuerungssystem nicht ein – es wird weder Stickstoff zugeführt noch abgeleitet. Dieser Bereich wird als Sicherheitsbereich bezeichnet. Es kann verhindert werden, dass die Ventile häufig arbeiten, wodurch Stabilität im System gewahrt bleibt. 3. Erfüllung der Anforderungen in den verschiedenen Phasen des Produktionsprozesses: Bei exothermen chemischen Reaktionen muss in der Anfangsphase die Substanz erhitzt werden, um den Reaktionsprozess in Gang zu setzen ； Da es sich um eine exotherme Reaktion handelt, sammelt sich im Reaktor ständig Wärme an. Daher nimmt die Menge an Wärme ab, die ausgeglichen werden muss, allmählich ab. Wenn die freigesetzte Wärme die für den Reaktionsprozess benötigte Menge übersteigt, kann keine weitere Wärme zugeführt werden. Stattdessen muss der Reaktor gekühlt werden, um die überschüssige Wärme, die beim Reaktionsprozess entsteht, zu entfernen. Für solche Prozesse kann eine Stufensteuerung wie in den Abbildungen 11 bis 12 dargestellt, angewandt werden. http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111740500933.png http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111741591468.png Abbildung 11: Steuerungssystem für die Temperatur im intermittierenden Reaktor. Abbildung 12: Charakteristikkurve des Steuerungssystems für die Temperatur im intermittierenden Reaktor. http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111749274616.png Abbildung 13: Blockdiagramm des Steuerungssystems für die Temperatur im intermittierenden Reaktor. Anmerkung: Im Steuerungssystem für die Temperatur im intermittierenden Reaktor ist der Regler von typischerweise Rückkopplungscharakter ； Ventil A: Gasabschaltung ； Ventil B: Druckbetrieben ； Objekt 1: Gegenreaktion ； Objekt 2: Positive Wirkung. Das Temperaturregelsystem des intermittierenden Reaktors ist bei der Betätigung jedes Ventils eine negative Rückkopplung. Unter Berücksichtigung der drei oben genannten Beispiele für die Stufensteuerung sowie der dazugehörigen Systemdiagramme hat man vermutlich bereits ein grundlegendes Verständnis für den Mechanismus der Stufensteuerung sowie für solche Steuersysteme. Es wird empfohlen, sich außerdem den Artikel mit dem Titel „Ohne die Fähigkeit, die Stufenpunkte zu berechnen und festzulegen, kann man nicht behaupten, etwas über die Stufensteuerung zu wissen“ anzusehen