Курсовая работа по дисциплине

"Автоматизация заводской котельной установки"

Введение

2. Общая характеристика объекта управления и классификация переменных величин

Парогенератор представляет собой теплотехнологическое устройство, преобразующее воду в пар заданных параметров с помощью теплоты сгорания топлива.

Объектом управления является процесс преобразования воды в пар, характеризуемый входными и выходными параметрами:

Входные:

Y₁ -производительность котла по воде;

Y₂ -температура воды;

Y₃ – уровень воды в барабане;

Y₄ -давление в газовой магистрали;

Y₅ -расход воздуха на горение;

Y₆ -температура воздуха;

Y₇ -давление воды;

Y₈ -расход отходящих газов;

Y₉ -давление в барабане.

Выходные:

X₁ -производительность котла по пару;

X₂ -температура отходящих газов;

X₃ -температура факела;

X₄ -расход газа.

3. Функциональная схема системы стабилизации разрежения газов в топке котла

Датчик РЕ измеряет величину давления в топке котла. Выходной сигнал датчика давления РЕ подается на вторичный прибор PR, который установлен по месту. Далее сигнал передается на регулятор PIC, который сравнивает его с сигналом задатчика Н при равенстве нулю этих сигналов, выходной сигнал от регулятора отсутствует. При расхождении регулятор PIC вырабатывает сигнал, который в электронных блоках регулятора усиливается и преобразуется. Далее сигнал подается на ключ SA1, предназначенный для переключения режимов управления «автоматический – полуавтоматический». «Выходной сигнал с ключа SA1 подается на усилитель мощности NS». Усиленный сигнал поступает на исполнительный механизм М1, состоящий из размещенных в одном корпусе электродвигателя и редуктора. Исполнительный механизм М1 изменяет положение газового клапана это приводит к изменению расхода газа. При этом давление пара в парогенераторе изменяется до тех пор пока парогенератор не выйдет на заданный режим давления. Кнопочный переключатель SB1 предназначен для установленного включения электродвигателя исполнительного механизма М1 в ручном режиме управления.

4. Подбор приборов и средств автоматизации

Преобразователь измерительный разности давлений Сапфир-22М-ДВ (модель 2240):

– наибольшее отклонение действительной характеристики от номинальной статической характеристики – ±γ=0,25%;

– предел допускаемой основной погрешности – ±γ=0,5%.

α=0,716- исходный коэффициент расхода стандартных диафрагм в зависимости от m

ρ=0,6679

0,111744 кгс/см² =11 кПА

Датчик избыточного давления Сапфир – 22-ДД (модель 2434).

При измерении избыточного давления, абсолютного давления, давления-разрежения датчиками Сапфир-22 (ДИ, ДА, ДИВ) давление рабочей среды подается в камеру «+», при этом камера «–» сообщается с атмосферой. При измерении разрежения (ДВ) убывающее давление перемещает мембрану в сторону, противоположную от избыточного давления.

При измерении разности давлений (ДД) положительное и отрицательное давления подаются в камеры «+» и «–» соответственно.

Давление (разность давлений) рабочей среды воздействует на мембраны (мембраны соединены между собой центральным штоком, который связан с концом рычага тензопреобразователя) и через жидкость воздействует на мембрану тензопреобразователя.

В датчиках Метран-22 моделей 2151, 2161, 2171, 2351, 2051, 2061 давление рабочей среды воздействует непосредственно на мембрану тензопреобразователя.

Чувствительный элемент – пластина монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС), соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя. Тензорезисторы соединены в мостовую схему. Деформация измерительной мембраны (деформация мембраны тензопреобразователя) приводит к пропорциональному изменению сопротивления тензорезисторов и разбалансу мостовой схемы. Электрический сигнал с выхода мостовой схемы датчиков с АП поступает в электронный блок, где преобразуется в унифицированный токовый сигнал.

Микропроцессорный электронный преобразователь датчиков с МП, МП1 принимает аналоговый сигнал от преобразователя давления и преобразовывает его в цифровой код.

Микроконтроллер принимает цифровой сигнал, производит коррекцию и линеаризацию характеристики преобразователя давления, передает цифровой сигнал в цифро-аналоговый преобразователь, который преобразует его в выходной токовый.

Энергонезависимая память АЦП предназначена для хранения коэффициентов коррекции характеристик преобразователя давления.

Блок регулирования и установки параметров предназначен для изменения параметров датчика.

Применение микропроцессорной электроники обеспечило возможность самодиагностики, контроля и настройки параметров датчиков непосредственно на месте эксплуатации.

Контроль и настройка параметров датчика осуществляются с помощью трехкнопочного переключателя и индикаторного устройства (жидкокристаллический индикатор ЖКИ).

Кнопки 1 и 2 переключателя используются для:

– контроля настройки параметров датчика;

– установки нуля;

– настройки единиц измерения;

– настройки времени установления выходного сигнала (демпфирования).

Кнопка 3 используется при:

– настройке диапазона измерений;

– установке «смещенного» начального значения выходного сигнала;

– выборе прямой или инверсной характеристики;

– выборе системы единиц измерения;

– калибровке датчика.

Измеритель-регулятор микропроцессорный программируемый типа ТРМ12-PIC совместно с датчиком предназначен для измерения входного параметра и импульсного управления электроприводом запорно-регулирующих и трехходовых клапанов по пропорционально-интегрально-дифференциальному (ПИД) закону. Прибор позволяет обеспечить высокую точность поддержания значения измеряемого параметра для объектов с большой инерционностью и с малым запаздыванием.

Прибор, оснащенный по желанию заказчика платой расширения ПР-01, формирует стандартный ток, пропорциональный измеряемому значению для регистрирующего устройства, например самописца, а также обеспечивает работу под управлением ЭВМ с регистрацией на ней измеряемого значения. Подключение прибора к ЭВМ производится через адаптер сети АС2, выпускаемого предприятием-изготовителем данного прибора.

Прибор предназначен для автоматизации систем отопления, горячего водоснабжения, а также управления технологическими процессами в пищевой и медицинской промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве.

Технические характеристики

5. Построение и описание обобщённой функциональной и структурной схем системы автоматизации

Обобщенная функциональная схема системы стабилизации разрежения сушильного барабана

На схеме приняты следующие обозначения: УМ–усилитель мощности; ИМ–исполнительный механизм; РУ–регулирующее устройство; РО–регулирующий орган; ОУ–объект управления; ДТ–датчик температуры.

РО, КД и ДТ образуют объект регулирования. Блоки БФЗР, УМ, ИМ составляют регулирующее устройство.

В соответствии с исходными данными для проектирования РУ должно быть ПИ-регулятором. ПИ-закон регулирования формируется блоком БФЗР.

На схеме приняты следующие обозначения: З – задатчик; ВФЗР – блок формирования закона регулирования; РП – регулятор положения; УМ – усилитель мощности; ИМ – исполнительный механизм; ДП – датчик положения; РУ – регулирующее устройство; РО – регулирующий орган; ОУ – объект управления (сушильный барабан); ДР – датчик разрежения; х – регулируемая величина; у – регулирующая величина; g – задающее воздействие; ε = g – х – отклонение регулируемой величины от задающего воздействия.

РО, КД и ДР образуют объект регулирования. Блоки БФЗР, РП, УМ, ИМ, ДП составляют регулирующее устройство.

РУ в соответствии с заданием на проектирование должно обеспечить ПИ-закон регулирования. Формирователем ПИ-закона является БФЗР. Для исключения искажения закона регулирования все последующие после БФЗР блоки РУ должны быть в динамическом отношении усилительными звеньями.

Это условие выполняется для УМ. Блок ИМ в динамическом отношении является интегрирующим звеном с передаточной функцией

где Т_ИМ – постоянная времени исполнительного механизма.

Для «превращения» ИМ из интегрирующего в усилительное звено и исключения вносимых им искажений в закон регулирования исполнительный механизм вместе с УМ охвачены отрицательной обратной связью. Причем, в цепи обратной связи включен датчик положения вала ИМ, а в прямой ветви – пропорциональный регулятор положения. Структурная схема ИМ, охваченного жесткой обратной связью, приведена на рис. 3.

Датчик и регулятор положения являются усилительными звеньями с передаточными функциями W_ДП (р) = К_ДП и W_РП (р) = К_РП соответственно.

Поскольку на практике, как правило, выполняется условие

> , (14)

то динамические свойства рассматриваемого (см. рис. 5) встречно-параллельного соединения определяются только усилительным звеном обратной связи, а передаточная функция ИМ, охваченного жесткой обработкой связью будет равна

. (15)

Рис. 3. Структурная схема исполнительного механизма, охваченного жесткой отрицательной обратной связью

Для улучшения выполнения условия (14) обратной связью охватывают также РП и УМ.

Динамические свойства датчика разрежения регулирующего органа характеризуются усилительным звеном, а объекта управления – апериодическим звеном с запаздыванием (см. исходные данные на проектирование).

С учетом вышеизложенного структурная схема системы автоматизации, реализующей Пи-закон регулирования, принимает вид, показанный на рис. 4, на котором обозначено:

– передаточная функция (ПФ)

усилительного звена БФЗР;

– ПФ интегрирующего звена БФЗР;

– передаточная функция

регулятора положения;

– ПФ усилителя мощности; (16)

– ПФ исполнительного механизма;

– ПФ датчика положения;

– ПФ регулирующего органа;

– ПФ объекта управления;

– ПФ датчика разрежения.

Используя принципы преобразования структурных схем, получим передаточную функцию системы автоматизации в следующей последовательности.

1. Передаточная функция БФЗР

2. ПФ регулирующего устройства

или с учетом (15)

3. Передаточная функция объекта

а с учетом (16)

. (17)

4. ПФ системы автоматического регулирования

. (18)

Соотношение (17) является искомым аналитическим выражением передаточной функции системы автоматизации, укрупненная структурная схема которой приведена на рис. 5.

Рис. 5. Укрупненная структурная схема системы автоматизации

6. Анализ динамических свойств объекта управления

Анализ динамических свойств ОУ производят по временным и частотным характеристикам.

Работа ОУ характеризуется обыкновенным дифференциальным уравнением первого порядка.

(1)

Анализ динамических свойств ОУ производят по временным и частотным характеристикам.

Временные и частотные характеристики ОУ определяем в следующей последовательности:

Преобразуем исходное уравнение (1) по Лапласу и получаем алгебраическое уравнение

(2)

2. Находим решение алгебраического уравнения

(3)

3. Определяем аналитическое выражение передаточной функции ОУ

, которое имеет вид (4)

4. Находим изображение переходной характеристики

где 1/p- изображение единичной функции 1 (t).

5. Используя формулу Хевисайда

где Pi – корни характеристического уравнения,

H _{( Pi )} и Q _{( Pi )} – соответственно полином числителя и знаменателя функции W(p).

С учетом того, что H(0)= k_оу =2, Q(0)=1, p_i = – 1/T = -1/12, Q^’ (p_i )= T_оу =12

Находим аналитическое выражение переходной характеристики.

(5)

6. Подставляя в полученное уравнение значения t от 0 до 120 с построим график переходной характеристики.

Рис. 1. Переходная характеристика ОУ.

7. Находим аналитическое выражение импульсной переходной характеристики.

(6)

Подставляя в полученное уравнение значения t от 0 до 100 с построим график импульсной переходной характеристики.

Рис. 2. Импульсная переходная характеристика ОУ.

1. Определим амплитудно-частотную характеристику объекта управления.

Запишем передаточную функцию объекта управления.

Осуществим замену комплексной переменной p на jw , где и домножим выражение на комплексно сопряженное число.

Выделим из W _оу ( jw ) вещественную V ( w ) и мнимую U ( w ) части.

(7)

Определим амплитудно-частотную характеристику объекта управления.

(8)

10. Определим фазочастотную характеристику объекта управления.

(9)

Подставляя в полученные выражения 8 и 9 значения w построим графики амплитудно-частотной характеристики и фазо-частотной характеристики.

Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика объекта управления

Рис. 4. Фазочастотная характеристика объекта управления

Частотные характеристики свидетельствуют о том, что объект регулирования является сравнительно низкочастотным, т.е. может реагировать только на медленные изменения регулирующей величины.

7. Выбор параметров настройки регулирующего устройства

Для определения коэффициента передачи датчика разрежения К_ДР необходимо вычислить отношение максимального значения выходной величины датчика к максимальному значению входной его величины. Для выбранного датчика имеем

(исходя из выбранного датчика).

С помощь программы VISSIM получаем:

Более точный график см. рис. 12.

Из графика видим что:

Вычисляем коэффициент передачи объекта

;

При ПИ-регуляторе и апериодическом законе регулирования имеем:

Расчёт устойчивости системы автоматизации

В соответствии с заданием, исследование устойчивости системы автоматизации проводим по критерию Найквиста.

Так как τ по заданию равно 0, то . Тогда параметрической заменой переменной р на jω получаем выражение для комплексной частотной характеристики:

После домножения числителя и знаменателя комплексно-сопряжённую величину (1 – jωТ_об ), выполнения элементарных преобразований получаем:

, где

Рис. 12. Годограф КЧХ разомкнутой системы стабилизации

Список литературы

1.Автоматика и автоматизация производственных процессов / Под общ. ред. проф. Г.К. Нечаева – Киев: Вища школа, 1985.

2.Андреев А.А. Автоматические электронные показывающие, регистрирующие и регулирующие приборы. – Л.: Машиностроение, 1981.

3.Бушуев С.Д., Михайлов В.С. Автоматика и автоматизация производственных процессов. – М.: высшая школа, 1990.

4.Промышленные приборы и средства автоматизации. Справочник / Под ред. В.В. Черенкова – Л.: Машиностроение, 1988.