Рефераты

Главная

Программирование и
комп-ры

Психология

Радиоэлектроника

Аудит

АХД экпред финансы
предприятий

Банковское дело

Биографии

Биология и химия

Биржевое дело

Финансы деньги и налоги

Философия

Физика и энергетика

Военная кафедра

Ветеринария

Валютные отношения

География и экономическая
география

Геология гидрология и
геодезия

Государство и право

Товароведение

Транспорт

Нотариат

Архитектура

Химия

Гражданское право и
процесс

Графология

Делопроизводство

Деньги и кредит

Новые и неперечисленные

Система автоматизации на котлоагрегатах

обеспечивающий отображение и адресацию 10000 тегов. Такие возможности в

сочетании с усовершенствованным управлением информацией делают операторскую

станцию идеальным интерфейсом для систем общезаводского (цехового)

управления. Станция позволяет конфигурировать 1500 экранных форм, 1000

трендов и 260 заказных сообщений и выводить их на видеомониторы высокого

разрешения, распечатывать и организовывать их в файлы. Помимо представления

данных в различных формах операторская станция даёт возможность

использовать процессор прикладных задач (мощную универсальную ЭВМ) для

анализа данных расчетов и итоговых отчётов.

Для операторской станции управления котлоагрегатом рекомендуется

использовать ПЭВМ «Pentium-4» с пакетом CIMPLICITY, который обеспечивает:

1) управление технологическими процессами с помощью промышленных

микропроцессорных контроллеров и IBM PC;

2) представление объекта управления на мнемосхемах, трендах, панелях

управления;

3) контроль значений технологических параметров и обработка аварийных

ситуаций в реальном времени;

4) оперативное управление контурами регулирования;

5) накопление данных в архиве на диске с возможностью дальнейшей

обработки;

6) автоматическая генерация отчётов.

3.3.1 Выбор средств полевой автоматики (ПА)

В соответствие с функциональной схемой автоматического регулирования

работы котла на базе регуляторов будем использовать следующие средства ПА,

представленные в таблице 2.

Так как ПА обеспечивает получение первичной информации (посредством

датчиков), на основе которой складывается представление о состоянии

технологического процесса, то на выбор ПА налагаются некоторые

ограничения, например:

Температура, влажность, давление, вибрации, при которых ПА нормально

работает;

Класс точности прибора, допустимые погрешности;

Выходной сигнал (он должен быть стандартным, или иметь возможность

преобразования в такой сигнал).

Расходомер.

К датчику измерения расхода предъявляются следующие требования:

1) пределы измерения – 0 – 400 м3/ч;

2) класс точности – 0,5;

3) измеряемая среда - пульпа плотностью 1,2-1,7 кг/л, температура 0–100

0С, содержание твёрдого 200-300 гр./л;

4) параметры окружающей среды – температура 10 – 30 0С, влажность 20-60%.

Для проведения тендера взяты датчики PROMAG-33F и VA-2303. По этим

датчикам был собран материал, основные характеристики представлены в

таблице 3.5.

Таблица 3.5 Основные характеристики расходомеров

|Параметр|Promag 33F |VA 2303 |

|ы | | |

|Устойчив|1.Температура |1. Первичный преобразователь – |

|ость к |окружающей среды от |защищён от попадания внутрь пыли и |

|внешним |–20 до +600С |воды, устойчив к воздействию |

|воздейст|2. При установке на |температуры окр. воздуха от –30 до |

|виям |открытом воздухе |+55С и относительной влажности 95% |

| |необходимо установить |при температуре 35С и более низких |

| |кожух для защиты от |температурах без конденсации влаги,|

| |попадания прямых |устойчив к воздействию атмосферного|

| |солнечных лучей |давления от 84 до 106,7 кПа. |

| |3. Устойчив к ударам и|2. Вычислитель – защищён от |

| |вибрациям. |попадания внутрь пыли и воды, |

| | |устойчив к воздействию температуры |

| | |окр. воздуха от 5 до 55С и |

| | |относительной влажности 80% при |

| | |температуре 35С. |

|Точность|0,01% |Неустойчивые показания расхода |

| | |пульп с большим содержанием гр. |

| | |тв/литр. |

|Удобство|Возможность установки |Большой выбор типа выходного |

|в |датчика |сигнала, жидкокристаллический |

|обслужив|непосредственно на |индикатор, стандартный |

|ании |передатчике или в |последовательный интерфейс RS232, |

| |удалении от него. |два варианта крепления |

| |Наличие лицевой панели|вычислительного блока (щитовой и |

| |с жидкокристаллическим|настенный). |

| |индикатором, индикация| |

| |состояния прибора и | |

| |возникновения | |

| |неполадок | |

|Срок |18 лет |12 лет |

|службы | | |

Преобразователи расхода VA2303 предназначены для преобразования

значения расхода невзрывоопасной жидкости, проходящей через первичный

преобразователь, в унифицированные выходные электрические частотные сигналы

и сигнал постоянного тока.

Расходомер PROMAG-33F используется для измерения потока жидкостей,

например:

- Кислоты, щелочь, целлюлоза;

- Питьевая вода, сточные воды, отстой сточных вод;

- Молоко, пиво, вино, минеральная вода, йогурт, патока, и т.д.

Собранные данные были предоставлены инженерам Контрольно-Измерительных

Приборов (КИП) для выставления оценок по 10 бальной шкале.

Таблица 3.6 Оценки экспертов

|Критерий |Оценки 1 эксперта |Оценки 2 эксперта |

| |PROMAG-33F |VA2303 |PROMAG-33F |VA2303 |

|Устойчивость к |8 |7 |7 |6 |

|Точность |9 |3 |9 |4 |

|Удобство в обслуживании |9 |6 |9 |7 |

|Средний балл |8,6 |5,3 |8,3 |5,6 |

В таблице 3.7 приведены сводные оценки экспертов.

Таблица 3.7 Сводные оценки

|Датчик |Оценка |

|PROMAG-33F |8.5 |

|VA2303 |5.5 |

В качестве измерителя расхода воды будем использовать датчик PROMAG-

33F.

Уровнемер.

К датчику измерения уровня предъявляются следующие основные требования:

- пределы измерения уровня 3 – 18 м;

- требуемый класс точности – 0,5;

- параметры измеряемой среды – суспензия, температура 0-100(С,

содержание твердого 20 - 70%.

Причинами замены являются физический износ, низкая точность измерения,

зарастание отбора. Сравнительная характеристика и основные параметры для

проведения тендера по предлагаемым вариантам модернизации представлены в

таблице 3.8.

Таблица 3.8 Сравнительные характеристики предлагаемых вариантов

| | |0,5% | |

|Выходной |0-5 мА |0-5 мА |0-20 мА |

|Срок службы|7 лет |8лет |8 лет |

Оценка сопоставляемых вариантов проставляется по десятибалльной шкале

и приведена в таблице 3.9.

Таблица 3.9 Оценки экспертов по рассматриваемым вариантам

|ДМ – 0,4 |6,5 |

|“Сапфир –22ДД” |7,2 |

|Микроволновый уровнемер |8,0 |

По результатам проведения тендера в качестве контрольно-измерительного

прибора для измерения уровня принимаем бесконтактный микроволновый

уровнемер, радарный сенсор “Vegapuls-64”. Данный выбор является

рациональным, сенсоры ориентированы на надежность, длительность в

применении и тем самым на долгосрочные инвестиции.

Плотномер радиоизотопный ПР-1027.

Плотномер радиоизотопный ПP-1025М предназначен для измерения плотности

жидких сред и пульп, контроля (регулирования) технологических процессов.

Технические характеристики:

- напряжение питания 220 В. с допустимыми отклонениями от +10% до

-15%, частотой 50 (1 Гц;

- температура окружающего воздуха для блока детектирования от +5 до

+40°C, для регистратора от +5 до +50°C;

- относительная влажность окружающего воздуха до 80% при температуре

35°C;

- отсутствие механических вибраций для регистратора;

- допускается воздействие на блок детектирования вибрации частотой

от 5 до 30 Гц и амплитудой не более 0.1 мм;

- допускается воздействие на блок детектирования брызг воды,

падающих в любом направлении;

- допускается воздействие на блок детектирования пылевой смеси с

частицами размером не более 200 мкм, движущейся со скоростью 5

м/с;

- допустимый угол наклона блока детектирования от горизонтальной

плоскости не более 5°.

Механизм исполнительный однооборотный МЭО-100/25.

Исполнительный механизм МЭО с постоянной скоростью предназначен для

перемещения регулирующих органов в соответствии с коммутирующими сигналами

управляющих устройств. Принцип работы механизмов заключается в

преобразовании сигнала, поступающего от регулирующих или управляющих

устройств, во вращательное перемещение выходного вала. Токовый датчик

устанавливается на механизмы с полным ходом выходного вала 0,25 оборотов.

Технические характеристики:

напряжение питания - 220/380 В.,50 Гц;

вибрация - до 30 Гц;

диапазон температуры окружающей среды от - 30 до + 50°C;

потребляемая мощность - 260 Вт.

3. Требования к программному обеспечению (ПО)

Система программного обеспечения CIMPLICITY, предназначена для работы

на разнообразных компьютерных платформах и операционных системах.

Компьютерная платформа, как правило – это PC – совместимые персональные

компьютеры (WINDOWS 95TM и WINDOWS NTTM).

SCADA – пакет должен отвечать требованиям:

Графическое представление хода технологического процесса, а также принятой

и архивной информации в удобной для восприятия форме (мнемосхемы, таблицы,

тренды);

Диагностика и сигнализация нарушений и аварийных ситуаций с их

протоколированием;

Возможность дистанционного управления регулирующими исполнительными

механизмами;

Надежность.

Для более эффективного функционирования системы автоматизации можно

предъявить к Scada-пакету следующие требования:

1. Контроль над технологическим процессом, состояние технологического

оборудования и управление процессами и оборудованием с помощью

средств ПА (сбор показаний датчиков).

2. Преобразование сигналов от датчиков.

3. Обработка полученной от датчиков информации.

4. Графическое представление хода технологического процесса, а также

принятой и архивной информации в удобной для восприятия форме

(мнемосхемы, таблицы, тренды).

5. Диагностика и сигнализация нарушений и аварийных ситуаций с их

протоколированием.

6. Локальное регулирование, - стабилизация расходов в аппараты.

7. Каскадное регулирование – стабилизация плотности под конусами

промывателей.

8. Возможность обмена данными (информации) по сети с другими рабочими

станциями.

9. Дистанционное управление регулирующими исполнительными механизмами.

CIMPLICITY HMI – пакет программ, созданный фирмой GE Fanuc для

разработки ПО автоматизированных рабочих мест в АСУ ТП. Пакет работает под

управлением операционных систем Windows 95, Windows 98 и Windows NT, Unix и

других. В состав пакета входят программы, позволяющие создавать рабочие

места технологического и обслуживающего персонала на всех уровнях

управления технологией.

Программное обеспечение CIMPLICITY HMI имеет следующую структуру:

- Сервер - базовые возможности (HMI Server base)

- Опции (Options): рецептуры, статический анализ, пейджер, «горячее»

дублирование, Web-сервер …

- Клиент - просмоторщик (HMI Viewer) – то же, что и сервер, но без

собственных переменных и связи с контроллером.

Рекомендуется аппаратное обеспечение для Intel – платформ: Pentium 90,

64 Мб ОЗУ, 180 Мб. на диске.

Создавая с помощью CIMPLICITY HMI узел (АРМ) создается проект. Проект

содержит в себе полное описание настроек данного узла, описание базы

данных, мнемосхемы. Он записывается на диск в отдельный каталог, имеющий по

умолчанию то же имя, и может быть перенесен на другой компьютер простым

копированием.

CIMPLICITY Workbench похож на проводник Windows. Окно Workbench

разделено на два поля. В левом отображены разделы открытого проекта, а в

правом – содержимое текущего раздела.

Кроме SCADA – пакета, фирма GE Fanuc выпускает контроллеры серии 90-30

и 90-70, относящиеся к программируемым логическим контроллерам. Программный

пакет Versa Pro предназначен для конфигурирования и программирования

контроллера.

Программно-технический комплекс характеризуется надежностью, хорошими

потребительскими свойствами, а также высокой скоростью информационных

систем.

4. Требования к сети

Необходимо предусмотреть для обмена информацией между создаваемым

комплексом и существующей сетью через систему связи типа Ethernet

оборудование, алгоритмы управления и программное обеспечение со стороны

комплекса.

Цикл работы контуров регулирования и опроса датчиков, - не более 1

сек. Максимальное время передачи сообщения от любого датчика до пульта – 2

сек., от пульта оператора до регулирующего органа – 2 сек., максимальное

время ожидания смены видеокадра – 2 сек.

4. Проект АСУ

1. Функциональная схема автоматического регулирования работы котла

Функциональная схема систем автоматизации технологических процессов

является основным техническим документом, определяющим структуру и характер

систем автоматизации технологических процессов, а также оснащения их

приборами и средствами автоматизации. На функциональной схеме дано

упрощенное изображение агрегатов, подлежащих автоматизации, а также

приборов, средств автоматизации и управления, изображаемых условными

обозначениями по действующим стандартам, а также линии связи между ними.

Схема автоматизации регулирования и контроля парового котлоагрегата

предусматривают следующие системы:

система автоматического регулирования и контроля тепловой нагрузки котла;

система автоматического регулирования и контроля питания котла;

система автоматического регулирования и контроля разрежения в топке котла;

система автоматического контроля давления;

система автоматического контроля температуры.

На основе принципиальной технологической схемы, структуризации задачи

управления разрабатываем функциональную схему автоматизации, на которой

показано все технологическое оборудование, технологические связи, приборы и

средства автоматизации, обозначены их установки (по месту, на щите) и

позиции каждого прибора.

Функциональная схема автоматического регулирования представлена в

приложении 3.

В схемах автоматизации паровых и водогрейных котлов, работающих на

газообразном и твердом топливе, применяются управляющие устройства КУРС-

101. Устройства предназначены для работы в интервале температур от +5 до

+50 [pic]при относительной влажности во всем диапазоне рабочих температур

30-80%. Питание устройства осуществляется от сети трехфазного переменного

тока напряжением 220ВА.

Управляющее устройство КУРС-101 обеспечивает:

- автоматический пуск и останов котла;

- предварительную вентиляцию топки;

- необходимые в пусковой период блокировки;

- позиционное автоматическое регулирование тепловой мощности котла;

- автоматическую защиту при аварийных ситуациях;

- рабочую и аварийную сигнализацию;

- формирование сигнала аварии на диспетчерский пункт.

Управляющее устройство конструктивно выполнено по блочно-модульному

принципу и включает панель управления и сигнализации (ПСУ), шкаф с

поворотной рамой и шкаф магнитных пускателей.

Панель управления и сигнализации (ПСУ) объединяет модуль сигнализацииС-

02 с индикаторными лампами по следующим параметрам:

- предварительная вентиляция;

- температура воды (предельная); давление пара (предельное);

- послеостановочная вентиляция.

Индикаторная лампа «Работа» сигнализирует о нормальной работе

устройства, индикаторные лампы «Газ» и «Мазут» - о виде топлива, на

которое включено устройство.

В панель включены также индикаторные лампы «Водогр» и «Паровой»,

сигнализирующие о режиме работы котла, на который включено устройство;

индикаторная лампа «Напряжение», сигнализирующая о наличии напряжения

электрического источника питания на входе в устройство; индикаторная лампа

«АВР пит. насоса», сигнализирующая об автоматическом включении резервного

питательного насоса (при работе котла в паровом режиме); индикаторная лампа

«Авария» - о наступлении аварийного режима по любому параметру.

Модуль сигнализации С-01 с индикаторными лампами сигнализирует

первопричину аварийного отключения котла: уровень низкий; уровень высокий;

давление газа перед регулирующим органом высокое; температура мазута

низкая; давление топлива перед клапаном – отсекателем низкое; давление

вторичного воздуха низкое; давление газа перед горелкой низкое; давление

первичного воздуха низкое; факела нет; клапан – отсекатель не закрыт;

пламени запальника нет.

Блок кнопок управления имеет кнопку «Пуск» включения логической схемы

управляющего устройства и пуска котла; кнопку включения «Регулирование ВКЛ»

и отключения «Регулирование ОТКЛ» регулирования с модулем К-01; кнопку

«Стоп» для отключения устройства и приведения схемы в исходное предпусковое

состояние.

В систему управления и сигнализации включен указатель типа ИПУ

положения регулирующего органа.

В шкафу с поворотной рамой размещены: блок П-11А для обеспечения

электрического питания элементов схемы; блок У-04 для управления двигателем

исполнительного механизма МЭО-4/100; блок Ф-03 для подачи напряжения на

бобину катушки зажигания (Б-01), установленную на горелке котла.

Перечисленные устройства объединены в блок управления БУ-01. Здесь же

размещены: блок переключения БП-01 рода топлива, режима работы (паровой,

водогрейный, опробование питательного насоса), питательных насосов (№1,

№2), опробования и нормальной работы вентиляторов, включения и отключения

напряжения на входе устройства; блок Р-01 реле, управляющих

электромагнитными исполнительными устройствами; блок Б-1 для размещения и

межмодульного монтажа с помощью штепсельных разъемов и жгутов.

Электропусковая аппаратура размещается в шкафу магнитных пускателей.

Пуск котла (при включенном электрическом питании и отсутствии

сигналов, фиксирующих аварийное состояние какого-либо параметра или

предельное состояние основного параметра – температуры воды или пара)

осуществляют нажатием кнопки «Пуск». После этого исполнительным механизмом

осуществляется полное открытие регулирующих органов топлива и воздуха (об

этом судят по показаниям указателя положения), включаются магнитные

пускатели первичного воздуха и вторичного воздуха, включается отсчет

времени предварительной вентиляции. По истечении времени предварительной

вентиляции ([pic]с) автоматика выдает сигнал на исполнительный механизм,

прикрывающий воздушную заслонку и регулирующий заслонку на подаче топлива

до 20 % открытия, подается напряжение на катушку зажигания Б-1 и на

клапаны запальника. Если в течение времени [pic]с не произойдет розжиг

запальника, появляется сигнал «Авария», включается послеостановочная

вентиляция, обесточиваются клапаны запальника и катушка зажигания.

Продолжительность послеостановочной вентиляции [pic]с, после чего

обесточиваются цепи магнитных пускателей вентиляторов.

В случае розжига запальника обеспечивается подача напряжения на

клапаны отсекателя и обесточиваются катушки зажигания Б-1. розжиг

горелочного устройства происходит в течение [pic]с. Если за это время

розжиг горелочного устройства не происходит, включаются сигнал «Авария» и

послеостановочная вентиляция, обесточиваются клапаны запальника и клапаны –

отсекатели на линии подачи топлива. По истечении времени послеостановочной

вентиляции обесточиваются магнитные пускатели вентиляторов.

При розжиге горелочного устройства по истечении времени окончания

пуска ([pic]с) регулирующие органы топлива и воздуха переводятся в

положение 40% открытия. Катушки клапанов запальника обесточиваются через

[pic]с - времени совместной работы запальника и горелочного устройства.

Работа котла в режиме 40%-ной нагрузки продолжается в течение времени,

оговоренного инструкцией по эксплуатации котла, необходимого для прогрева

всех элементов, после чего может быть включено кнопкой «Регулирование ВКЛ»

автоматическое регулирование основного параметра котла – температуры

горячей воды или давления пара. Автоматическое регулирование осуществляется

перемещением исполнительного механизма, регулирующего подачу топлива и

воздуха, в положение 40 и 100%.

В случае достижения предельного состояния регулируемого параметра

схемой обесточиваются цепи питания клапанов – отсекателей на линии подачи

топлива, происходит перемещение регулирующих органов топлива и воздуха в

положение 20%-ного открытия, включается послеостановочная вентиляция, по

истечении времени работы котла обесточиваются цепи питания магнитных

пускателей вентиляторов. При снятии сигнала предельного состояния параметра

схемой обеспечивается автоматический пуск котла в указанной выше

последовательности.

Автоматическое регулирование отключается нажатием кнопки

«Регулирование ОТКЛ», сопровождающимся переключением исполнительного

механизма в положение до 40%-ного открытия регулирующих органов топлива и

воздуха.

Отключение котла осуществляется нажатием кнопки «Стоп»,

сопровождающимся обесточиванием цепей клапанов – отсекателей топлива,

автоматическим перемещением регулирующих органов топлива и воздуха в

положение 20%-ного открытия, включением послеостановочной вентиляции,

обесточиванием цепей управления магнитными пускателями вентиляторов.

Если в процессе нормальной работы или в пусковом периоде в управляющее

устройство поступит сигнал об аварийном состоянии какого-либо параметра,

загораются сигнал «Авария» и индикаторная лампочка, соответствующая

первопричине аварии, а также индикаторная лампочка «Послеостановочная

вентиляция». Одновременно обесточиваются цепи управления клапанами –

отсекателями топлива, что сопровождается погасанием лампы «Работа»;

регулирующие органы топлива и воздуха перемещаются в положение 20%-ного

открытия. Как только истечет время послеостановочной вентиляции,

обесточиваются цепи управления магнитными пускателями вентиляторов, о чем

свидетельствует погасание индикаторной лампочки «Послеостановочная

вентиляция». Снятие сигнала «Авария» осуществляется нажатием кнопки «Стоп».

Система аварийной сигнализации управляющего устройства предусматривает

фиксацию:

- понижения уровня воды в котле;

- повышения уровня воды в котле;

- понижения давления топлива перед клапаном – отсекателем;

- понижения давления первичного воздуха;

- отсутствия закрытия клапанов – отсекателей.

5. Система автоматического регулирования подачи топлива в печь

спекания

5.1 Решение элементарных задач анализа САУ

5.1.1 Ориентировочное оценивание динамических параметров каналов

управления

Разгонная характеристика, полученная экспериментальным путем,

приведена на рисунке 5.1.1.

Экспериментальные кривые обрабатывают известными методами, получая

оценки динамических параметров звена управления. Сопоставляя кривые Y(t) и

U(T), видим, что анализируемый объект обладает самовыравниванием, является

неколебательным и имеет запаздывание. Проведенные исследования показали,

что модель печи аппроксимируется апериодическим звеном первого порядка с

запаздыванием.

коэффициент усиления – [pic]

нормированная постоянная запаздывания - (=1(мин);

постоянная времени - Т=16-1=15(мин).

Переходя к абсолютным единицам измерения, коэффициент передачи

принимает значение:

[pic].

Диапазоны колебаний в относительных единицах: постоянной времени (27%,

транспортного запаздывания (33%, коэффициента усиления (15%.

Диапазоны колебаний в абсолютных единицах: постоянной времени

Т=15(4,05, транспортного запаздывания (=1 (0,33, коэффициента усиления Ку=-

0,07((-0,01).

Дисперсия колебаний на выходе САУ при отключенном регуляторе равна

2,25(%)2.

Печь спекания относиться к объектам первой группы, не допускающим резких

колебаний по управляющему воздействию.

5.1.2 Определение временных настроек и модельных экспериментов

Временные настройки натурных и модельных экспериментов (дискретность

измерения переходной характеристики и длительность наблюдения переходной

характеристики) определяются постоянной времени и транспортным

запаздыванием.

Дискретность измерения (моделирования) переходной характеристики

[pic] должна удовлетворять следующим условиям:

1. [pic] ;

2. [pic].

Длительность наблюдения переходной характеристики [pic] должна

удовлетворять следующему условию:

[pic].

Анализируя выше указанные условия, приходим к выводу, что:

1. шаг моделирования переходной характеристики [pic]=0,45-3;

2. длительность наблюдения переходной характеристики [pic]=105-

1050.

5.1.3 Численный расчет разгонной характеристики

Дифференциальное уравнение для исследуемого канала управления имеет

вид:

[pic]

Оно же в форме Коши:

[pic]

и в разностной форме:

[pic]

Исходными данным для получения разгонной характеристики являются:

- ранее полученные результаты предварительной идентификации

параметров канала управления (К=-0,07, Т=15 мин, ?=1 мин);

- выбранный шаг расчета и длительность эксперимента;

- анализ пределов наблюдаемых колебаний U, позволяющий задать

величину скачка по входной величине

[pic]

где t0 – момент начала скачка,

нулевые начальные условия по выходной величине

y(t0)=y(0)=y0=23,8

Расчеты выполнены в среде Excel:

|№ п/п |T |dt |k |x |y |

|0 |15 |0,066 |-0,07 |59 |23,8 |

|1 |15 |0,066 |-0,07 |21 |23,677 |

|2 |15 |0,066 |-0,07 |21 |23,566 |

|3 |15 |0,066 |-0,07 |21 |23,456 |

|4 |15 |0,066 |-0,07 |21 |23,347 |

|5 |15 |0,066 |-0,07 |21 |23,237 |

|6 |15 |0,066 |-0,07 |21 |23,329 |

|7 |15 |0,066 |-0,07 |21 |23,02 |

|8 |15 |0,066 |-0,07 |21 |22,913 |

|9 |15 |0,066 |-0,07 |21 |22,805 |

На рисунке 5.1.2 приведены результаты расчета – разгонная

характеристика.

[pic]

Рисунок 5.1.2 Разгонная характеристика

Ниже приведён пошаговый расчёт значений разгонной характеристики по

формуле [pic].

Начальные значения: при [pic].

[pic]; [pic];

[pic]; [pic].

5.1.4 Анализ переходных характеристик

Для анализа переходных характеристик могут быть использованы

специализированные программы, созданные в той или иной программной среде.

На восьми фрагментах рисунка 5.1.3 показаны разгонные характеристики

звена при разных сочетаниях средних, минимальных и максимальных значений K,

T, и ? (исходя из процентных отклонений по условию задания). Их значения в

указанной последовательности приведены на графиках.

Анализируя эти разгонные характеристики, мы видим, что коэффициент

передачи не влияет на форму процесса, он лишь определяет уровень

установившихся значений. А величины транспортного запаздывания и постоянной

времени влияют на длительность переходного процесса.

5.1.5 Анализ амплитудно – частотной характеристики

На восьми фрагментах рисунка 5.1.4 построены АЧХ при разных

сочетаниях значений параметров канала управления, аналогичных предыдущему

сочетанию. Анализируя эти характеристики, можно сказать следующее.

Коэффициент передачи, также как и в предыдущем случае, просто изменяет

шкалу ординат АЧХ. Аналогично ему транспортное запаздывание также никак не

влияет на АЧХ динамического канала. А чем больше постоянная времени, тем

быстрее падает АЧХ, все лучше фильтруя низкочастотные колебания.

Первый фрагмент на рисунке 5.1.4 иллюстрирует АЧХ для средних

параметров канала управления (K=-0,07, T=15 мин, ?=1). А на четырех

фрагментах рисунка 5.1.5 приведены гармонические колебания в этом звене при

трех разных частотах колебаний входного сигнала (значения указаны на

графиках).

В математическом смысле АЧХ – это модуль частотной характеристики

динамического звена, отображаемой комплексным числом. Физический же смысл

трудно воспроизвести, если ее расчет ведется не частотными методами, а

используя имитационную модель САУ.

Из проведенных же выше экспериментов становится очевиден физический

смысл АЧХ, как функции отношения амплитуд гармонических колебаний на выходе

системы к колебаниям на входе, аргументом функции служит круговая частота

колебаний.

Исходя из результатов экспериментов, изображенных на рисунке 5.1.5,

можно сделать вывод, что чем больше частота изменения управляющего

воздействия, тем хуже динамические характеристики канала управления

(управляемая величина не успевает реагировать на входное воздействие).

|Kср |-0,07|

|Tср |15 |

|(ср |1 |

|(ср’ |0,066|

[pic]

|Kmin |-0,06|

|Tср |15 |

| (max |1,33 |

|(’ |0,09 |

[pic]

|Kmin |-0,06 |

|Tср |15 |

| (min |0,67 |

|(’ |0,045 |

[pic]

|Kmin |-0,06 |

|Tmax |19,05 |

| (ср |1 |

|(’ |0,05 |

[pic]

|Kmin |-0,06 |

|Tmin |10,95 |

| (ср |1 |

|(’ |0,09 |

[pic]

|Kmax |-0,08 |

|Tср |15 |

| (max |1,33 |

|(’ |0,09 |

[pic]

|Kmax |-0,08 |

|Tср |15 |

| (min |0,67 |

|(’ |0,045 |

[pic]

|Kmax |-0,08 |

|Tmax |19,05 |

| (ср |1 |

|(’ |0,05 |

[pic]

|Kmax |-0,08 |

|Tmin |10,95 |

| (ср |1 |

|(’ |0,09 |

[pic]

5.1.6 Построение экспериментальных АЧХ для канала управления при

вариациях его параметров с помощью имитационной и частотной моделей

Первый фрагмент рисунка 5.1.6 иллюстрирует АЧХ для средних

параметров канала управления К=-0,07, Т=15 минут, (=1 минута. Последующие

фрагменты отражают АЧХ в диапазоне колебаний параметров канала управления.

[pic]

На трех графиках приведены гармонические колебания при трех разных

частотах колебаний входного сигнала при средних значениях параметров канала

управления:

|П/п |? |T |

|1 |1,256 |5 |

|2 |2,093 |3 |

|3 |3,14 |2 |

[pic]

Анализируя полученные АЧХ можно сделать следующие выводы:

1) очевиден физический смысл АЧХ, как функции отношения амплитуд

гармонических колебаний на выходе системы к колебаниям на входе,

аргументом функции служит круговая частота колебаний;

2) Транспортное запаздывание никак не влияет на АЧХ динамического

канала. Чем больше постоянная времени, тем быстрее падает АЧХ, все

лучше фильтруя низкочастотные колебания. Коэффициент передачи

просто изменяет шкалу ординат АЧХ.

5.2 Постановка задачи анализа и синтеза САУ

Масштабирование ее параметров САУ

5.2.1 Подготовка исходных данных

Исследуемая САУ на технологической установке описана в п. 5.1. В

пункте 5.1.1 по экспериментальным данным идентифицирована структура и

параметры канала управления. Этого исходного материала достаточно для

определения параметров САУ в сфере инженерной постановке задачи.

Параметры канала управления:

[pic] (1)

5.2.2 Масштабирование параметров канала управления

В сфере математической постановке задачи используются нормированные

параметры канала управления и ПИ-регулятора обратной связи: PКУ и PОС.

Обратная связь САУ разомкнута, поэтому требуются только параметры

канала управления:

[pic] (2)

Среднее значение нормированной транспортного запаздывания [pic]:

[pic] (3)

Предельные значения нормированной транспортного запаздывания [pic]:

[pic] (4)

[pic] (5)

Нормированный внешний сигнал:

[pic] (6)

5.2.3 Анализ нормированных характеристик динамического звена

Численные эксперименты на имитационной и частотной моделях канала

управления были проведены при трёх разных значениях нормированного

транспортного запаздывания: [pic], [pic], [pic]. Результаты данных

экспериментов представлены в графическом виде на рисунке 5.2.1.

[pic]

Рисунок 5.2.1 Характеристики канала управления

Проверка масштабирования

Возьмем три точки на графиках разгонной характеристики и АЧХ в

относительных единицах и проверим их совпадение на соответствующих графиках

в абсолютных единицах. Масштабирующий множитель на шкале частот при

переходе от нормированной АЧХ к абсолютной равен 1/Т. Масштабирующий

множитель на шкале значений для АЧХ - abs(K). При умножении на коэффициенты

масштабирования, видно, что их значения одни и те же.

Пересчет в абсолютных единицах для частоты производится по следующей

формуле:

(абс=(отн*1/Т (7)

Для точки А: (абс=(отн *1/Т=0*1/15=0.

Для точки В: (абс =(отн *1/Т=2*1/15=0,13.

Для точки С: (абс =(отн*1/Т=5*1/15=0,33.

Пересчет в абсолютных единицах для амплитуды производится по следующей

формуле:

Аабс=Аотн*1/Т (8)

Для точки А: Аабс=Аотн*К=1*0,07=0,07

Для точки В: Аабс=Аотн*К=0,45*0,07=0,032.

Для точки С: Аабс=Аотн*К=0,2*0,07=0,014.

В итоге получаем следующие точки с координатами:

А(0;0,07); В(0,13;0,032); С(0,33;0,014).

[pic][pic]

Для перехода к абсолютным выражениям используем следующие формулы:

tабс=tотн*Т (9)

(У=(У*К*Уотн (10)

Получаем для точки D

tабс =1*15=15 (У =38*0,07*0,6=1,59

Учитывая тот факт, что аппроксимация экспериментальной разгонной

характеристики для печи спекания изображена в трех осях, получаем:

Уабс=Унач+(У=23,8+1,59=25,4.

По итогам вычислений получаем точку D с координатами (15;25,4).

Для точки Е получаем

tабс =2*15=30 (У =38*0,07*0,82=2,18

Учитывая тот факт, что аппроксимация экспериментальной разгонной

характеристики для печи спекания изображена в трех осях, получаем:

Уабс=Унач+(У=23,8+2,18=25,9

По итогам вычислений получаем точку Е с координатами (30;25,9).

Точки Д и Е показаны на рисунке 5.9.

[pic][pic]

Рисунок 5.2.2 Результаты вычислений

Анализ временных и частотных характеристик динамического звена первого

порядка с запаздыванием позволяет сделать следующие выводы:

1. Нормированная АЧХ для звена первого порядка является постоянной

функцией. Она не зависит от нормированного запаздывания [pic];

2. Форма разгонной характеристики y(t) также является постоянной,

если не считать транспортного запаздывания [pic]. Оно сдвигает на

отрезок [pic] момент времени начала и момент окончания переходного

процесса, не меняя его формы (крутизны экспоненты);

3. Эксперименты на численных моделях позволили определить

рациональные начальные значения их настроек [pic] для разомкнутой

САУ. Для звена первого порядка ([pic]) рационально взять [pic];

4. Нормирование делает прозрачным механизм влияния внешних параметров

динамического звена на его характеристики. Так постоянная времени

Т просто растягивает в Т раз по отношению к Т=1 разгонную

характеристику и сжимает частотную. Коэффициент усиления К

увеличивает в К раз единицу шкалы ординат на разгонной и частотной

характеристиках. Равное действие имеет скачок по входу [pic]u для

разгонной характеристики.

5.3 Частотное моделирование САУ

5.3.1 Моделирование случайных процессов

Используется четыре (j=1,2,3,4) случайные величины (Х1,Х2,Х3,Х4). Были

заданы определенные настройки алгоритма, которые приведены в таблице 5.3.1.

Таблица 5.3.1

| |да |гарм.составл-х | |

|Среднее |24.3389|15.3753|24.7136|24.3597|

| |7 |5 |2 |4 |

|Дисперси|1003.48|415.658|89.1618|936.676|

|я |2 |3 |2 |8 |

|Сумма |12169.4|7687.67|12356.8|12179.8|

| |9 |3 |1 |7 |

|СКВО |31.6777|20.3877|9.44255|30.6051|

| |9 | |4 |8 |

[pic]

Рисунок 5.3.2 Автокорреляционные функции четырех величин

Сравнивая временные реализации величин по их внешнему виду и их

статистики по численным значениям, видно следующее:

- Х2 отличается от всех остальных своим уровнем, ее среднее значение 30,

тогда как у остальных - в пределах 40-50;

- Х3 имеет самую маленькую мощность колебаний , ее дисперсия равна 144,

тогда как у остальных больше (600 ед.)2, соответственно ее СКВО -12, а

у остальных – от 25 до 35 ед.;

- Х4 является самой медленно изменяющейся величиной, это видно по времени

спада автокорреляционной функции (у Х4 –0,5 о.е. времени, у остальных

трех величин – 0,1);

- Низкочастотность Х4 также иллюстрирует функция спектральной плотности,

в области низких частот сосредоточена основная часть мощности ее

колебаний по сравнению с Х1-Х3.

[pic]

Рисунок 5.3.3 Функции спектральной плотности

5.3.2 Определение физического смысла функции спектральной плотности

Для этого смоделируем случайный процесс X1, таким образом, чтобы две из

трёх его гармонических составляющих имели относительно высокую амплитуду.

Настройки случайного процесса приведены в таблице 4. А полученные графики

автокорреляционной функции и функции спектральной плотности величины X1 на

рисунке 5.3.4

Таблица 5.3.3

|X1 |31,193 |22884,99 |15596,55|151,27 |

[pic]

Рисунок 5.3.4 . Автокорреляционная функция и функция спектральной

плотности величины X1

Таким образом, полученный график спектральной плотности величины X1

иллюстрирует два всплеска, которые объясняются на основе исходных данных.

Согласно им две из трёх гармоник имеют существенно более высокую амплитуду,

а, следовательно, и мощность колебаний. Переведя их периоды колебаний в

частоту, получаем те самые всплески:

[pic]рад/о.е.; [pic]рад/о.е.

3.3 Идентификация параметров случайного процесса

Возьмем в качестве исходной сгенерированную выше величину Х1, назовем ее Z

и смоделируем еще три ее реализации. Допустим, что эти реализации получены

с помощью измерительного прибора в разные моменты времени. Они отличаются

от первой тем, что их временные параметры были изменены случайным образом

от [pic] до [pic]. Значения параметров алгоритма формирования четырех

реализаций Z приведены в таблице 5.3.5, а сами реализации - на рисунке

5.3.5.

Таблица 5.3.5

| |да |гарм.составл-х | |

|Среднее |24,3389|16,1624|24,3304|25,2138|

| |7 |1 |3 |7 |

|Дисперси|1003,48|459,996|1080,29|1223,78|

|я |2 |8 |7 |6 |

|Сумма |12169,4|8081,20|12165,2|12606,9|

| |9 |7 |2 |3 |

|СКВО |31,6777|21,4475|32,8678|34,9826|

| |9 |4 |7 |5 |

Таблица 5.3.5

| |Время спада |Расч.множитель|

|x1 |0,1 |0,6 |

|x2 |1,03 |0,961165049 |

|x3 |0,08 |0,5 |

|x4 |0,115 |0,652173913 |

Анализ функций спектральной плотности показывает, что смоделированные

гармонические составляющие колебаний Z не всегда проявляются, порой их

"забивают" случайные шумы.

5.3.4 Расчет дисперсии и спектра величины на выходе САУ

[pic]

Рисунок 5.3.7 Функции спектральной плотности реализаций Z

Освоив математический аппарата частотного моделирования, попробуем

рассчитать дисперсию и спектр на выходе системы автоматической стабилизации

плотности шлама, разгружаемого из гидростатического отстойника. На входе

САУ действует целый комплекс возмущающих воздействий. При этом на выходе

САУ наблюдается приведенное возмущение:

u ( 0, z = y.

Для расчета спектра выходной величины обратимся к модели апериодического

звена первого порядка с запаздыванием.

Задаём нормированный параметр канала управления:

(’ = (/T = 1мин./15мин.= 0.066 у.е.вр.

В САУ время нормируется по постоянной T канала управления.

Задаем нормированные параметры входа САУ:

D’z = 1, T’СП = 10 у.е.

Этим мы определяем область фильтрации приведенного возмущения:

TСП = T’СП(T = 10у.е.(15мин. = 150мин,

T12 = TСП / T10 = 150мин. / 0,3о.е. = 500мин.

Грубо рассматриваемая САУ может полноценно фильтровать коррелированные

шумы со временем спада в четверть часа и закономерные составляющие с

периодом появления 4 часа.

Нормированные параметры регулятора устанавливаем по подсказке

преподавателя:

K’Р = 1, K’I = 0,5.

Рассчитываем с помощью специализированной программы частотные

характеристики САУ. Функция спектральной плотности входной и выходной

величины САУ показаны на рис. 5.3.8.

[pic]

Рисунок 5.3.8 Функции спектральной плотности на входе и выходе САУ

Нормированная выходная дисперсия равна 0,101793 (D’y=0,101793), что

означает снижение входной дисперсии в 9,8 раз.

Определим теперь степень снижения диапазона колебаний стабилизируемой

величины y после подключения САУ:

[pic]0,32

Чтобы рассчитать абсолютное СКВО, требуется знать дисперсию шума,

подаваемого на вход САУ. Для этого на практике выбирают отрезок времени, в

течение которого регулятор был отключен, и изучают колебания выходной

величины. В нашем случае дисперсия колебаний Y равна 0,0009 (т/м3)2, СКВО

равно 0,3 т/м3.

Абсолютное СКВО рассчитываем по формуле:

[pic]0,0095 т/м3.

4 СКВО дают наиболее вероятный диапазон колебаний стабилизируемой

величины y в абсолютных единицах:

Дy = 4(y = 4(0,0095 = 0,038 т/м3.

Анализируя этот материал, мы можем сделать следующие выводы:

- Расчетные статистики выгодно использовать для сопоставительного анализа

неслучайных свойств изменяющихся во времени величин или одной и той же

величин, но в разные моменты ее "жизни",

- Средний уровень изменений Х(t) фиксирует статистическая оценка Хср;

- Оценкой скорости колебаний может служить время спада автокорреляционной

функции, чем она больше, тем медленнее в среднем колеблется Х(t);

- Анализ спектра колебаний позволяет дополнительно увидеть, на каких

частотах преимущественно сосредоточена мощность колебаний Х(t).

5.4 Устойчивость САУ. Классы требований к качеству управления

5.4.1 Формулирование требований к САУ

Рассматривается система автоматического регулирования подачи топлива

в печь спекания. Для спекания шихты на глиноземных заводах используются

трубчатые вращающиеся печи. С одной стороны в печь поступает топливо –

угольная пыль в смеси с воздухом. С другой стороны в печь подается сырье –

и выводятся газы. Получаемый продукт – спек – из печей подается на участок

дробления.

Нормальная работа печи спекания характеризуется определенной

концентрацией кислорода в отходящих газах, по которой косвенно оценивают

количество сгораемого топлива. Чем больше топлива сгорает в печи, тем

меньше становится концентрация кислорода в отходящих газах.

Если концентрация по показаниям прибора превышает задание, необходимо

увеличить подачу топлива в печь, повышая частоту вращения привода.

Система автоматического регулирования подачи топлива в печь спекания

относится к тем САУ, для которых не важно наличие небольшой статической

ошибки регулирования. Поэтому относим эту системы к классу "В"

(классификация САУ по статическим свойствам).

Итак, формализовались требования к САУ в рамках описанной

классификации: устойчивость, класс "В", группа II.

5.4.2 Выбор области работы САУ

Канал управления в нашей системе идентифицирован как звено первого

порядка с запаздыванием: S=1. Нами определено среднее значение

нормированного транспортного запаздывания: ('=0,066. Ориентируясь на

желание минимизации дисперсии и длительности переходных процессов, наиболее

приемлемой считаем рабочий район поиска настроек:

K'P - от 2 до 4, K'I - от 1 до 2 (назовем этот район базовым).

Ниже приведены годографы Найквиста для трех точек, выбранных на

графике области устойчивости в пространстве для систем типа S=1.

[pic]

Анализируя графики, делаем вывод, что система наиболее устойчива при

значениях коэффициентов Кр = 2,1 и KI=0,7 (т.е. третий график).

Проделаем то же самое для трех точек, выбранных на графике области

работы САУ, при S=1 и (' = 0,066.

Для нашей системы типа II класса В значения коэффициентов:

K'P - от 10 до 12, K'I - от 2 до 4.

В этих пределах система не устойчива (ниже приведен годограф

Найквиста при значениях K'P =10, K'I = 2).

[pic]

Рассмотрим поведение системы при изменении оптимального значения

коэффициента KI в диапазоне 30%.

При KI=0,5 получаем графики:

[pic] [pic]

При KI=0,9 получаем графики:

[pic][pic]

1. Используя критерий Найквиста, определили область устойчивости нашей

системы и оптимальные значения коэффициентов. Выбрали этот критерий,

потому что он позволяет легко определить, устойчива система или нет с

помощью годографа.

2. Определили, что хотя система и относится ко второму типу, при

выбранных трех точках значений коэффициентов, она не устойчива в этих

пределах.

Заключение

В данном курсовом проекте, в соответствии с поставленной задачей

управления, была предложена модернизация системы управления котлоагрегатом.

Была разработана функциональная схема котлоагрегата и произведен выбор

полевой автоматики.

В качестве технической базы спроектированной системы автоматизации был

предложен регулирующий микропроцессорный контроллер GE Fanuc и персональная

ЭВМ. Преимуществом модернизированной системы является более точная

реализация процесса регулирования, основанная на цифровой обработке

информации.

Использование ПЭВМ со SCADA-пакетом CYMPLICITY даёт большие

возможности для представления информации человеку, функцией которого

является многокритериальное управление котлоагрегатом.

Результат применения предлагаемой модернизации состоит в стабилизации

параметров технологического процесса, за счёт увеличения объёма и качества

обработки информации, позволяющей технологическому персоналу принимать

своевременные и оптимальные решения при внештатных ситуациях.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

М.И. Резников, Ю.М. Липов «Паровые котлы тепловых электростанций»

Н.А. Киселев «Промышленные котельные установки»

«Эксплуатация паровых котлов и паротрубопроводов» под ред. Божко

Н.И Еремин, А.Н Наумчик, В.Г Казаков «Процессы и аппараты глиноземного

производства»

Н.А. Киселев «Устройство и эксплуатация котлов»

В.М. Максимов «Котельные агрегаты большой паропроизводительности»

В.Г. Александров «Паровые котлы средней и малой мощности»

«Теплотехника» под редакцией А.П. Баскакова

С.Я. Белинский «Теплофикация и теплоэлектроцентрали»

«Учет и контроль расхода энергоносителей и тепловой энергии» под редакцией

В.С. Кахановича

«Основы автоматизации для металлургов» под редакцией И.А. Грязновой

Н.Я. Турчин «Инженерное оборудование тепловых электростанций и монтажные

работы»

А.С. Клюев, А.Т. Лебедев, С.И.Новиков «Наладка систем автоматического

регулирования барабанных паровых котлов»

Н.Н.Лариков «Теплотехника»

«Справочник эксплуатационника газовых котельных»

П.Н.Мануйлов «Теплотехнические измерения и автоматизация тепловых

процессов»

В.С.Чистяков «Краткий справочник по теплотехническим измерениям»

В.С.Вергазов «Устройство и эксплуатация котлов». Справочник.

А.М., В.А.,П.Г.Удыма «Проектирование, монтаж и эксплуатация

тепломассообменных установок»

Д.Н. Кемельман, Н.Б.Эскин «Наладка котельных установок». Справочник.

Р.Беккер «Теория теплоты».

-----------------------

Страницы: 1, 2, 3, 4