Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

(КубГТУ)

Кафедра Автоматизации производственных процессов

ИКСИБ

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине СУТП и ИТ

на тему Проектирование одноконтурной системы автоматического регулирования

Выполнил студент группы 11-ЗПБ-ПР1

Моджук А.Г.

Допущен к защите

Руководитель работы доц. Подгорный С.А. (подпись, дата, расшифровка подписи)

ЗащищенОценка (дата)

Члены комиссии (подпись, дата, расшифровка подписи)

Краснодар 2014 г.



Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

(КубГТУ)

Кафедра Автоматизации производственных процессов

ИКСИБ

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой АПП

проф. Пиотровский Д.Л.

ЗАДАНИЕ

на курсовое проектирование

Студенту Моджук А.Г. группы 11- ЗПБ - ПР1

Факультета ТНОЛЗ

Специальности 260100

Тема работы: Проектирование одноконтурной системы автоматического регулирования



Реферат

Графическая часть: 1 лист формата А4.

Ключевые слова: система автоматического регулирования, пастеризация виноградного сока, пастеризационно - охладительная установка, температура, расход.

Цель курсовой работы: произвести расчеты устойчивости системы автоматического регулирования с помощью преобразования структурной схемы, алгебраического критерия устойчивости Гурвица и частотного критерия устойчивости Михайлова; спроектировать одноконтурную систему автоматического регулирования процесса пастеризации сока, описать технологический процесс и схему автоматизации данного процесса с выбором и обоснованием средств контроля и регулирования.

автоматизация устойчивость алгебраический технологический



Содержание

Введение

1. Расчет устойчивости системы автоматического регулирования

1.1 Преобразование структурной схемы

1.2 Алгебраический критерий устойчивости Гурвица

1.3 Частотный критерий устойчивости Михайлова

2. Проектирование одноконтурной системы автоматического регулирования

2.1 Описание технологического процесса

2.2 Описание схемы автоматизации

2.3 Выбор и обоснование средств контроля и регулирования

Заключение

Список используемой литературы

Прложение



Введение

Управление любым технологическим процессом или объектом в форме ручного или автоматического воздействия возможно лишь при наличии измерительной информации об отдельных параметрах, характеризующих процесс или состояние объекта. Параметры эти весьма своеобразны. К ним относятся электрические (сила тока, напряжение, сопротивление, мощность и другие), механические (сила, момент силы, скорость) и технологические (температура, давление, расход, уровень и другие) параметры, а также параметры, характеризующие свойства и состав веществ (плотность, вязкость, электрическая проводимость, оптические характеристики, количества вещества и т.д.). Измерения параметров осуществляется с помощью самых разнообразных технических средств, обладающих нормированными метрологическими свойствами. Технологические измерения и измерительные приборы используются при управлении (ручном или автоматическом) многими технологическими процессами в различных отраслях народного хозяйства.

Средства измерений играют важную роль при построении современных автоматических систем регулирования отдельных технологических параметров и процессов и особенно автоматизированных систем управления технологическими процессами, которые требуют представления большого количества необходимой измерительной информации в форме, удобной для сбора, дальнейшего преобразования, обработки и представления ее, а в ряде случаев для дистанционной передачи в выше и ниже стоящие уровни иерархической структуры управления различными производствами.



1. Расчет устойчивости системы автоматического регулирования

Система автоматического регулирования будет называться устойчивой, если, выведенная из состояния равновесия и представленная самой себе, она возвращается в исходное состояние, т.е. при снятии внешнего воздействия система автоматического регулирования возвращается в то состояние, в котором она находилась до возмущения.

1.1 Преобразование структурной схемы

Звенья системы автоматического регулирования, описывающие динамику отдельных элементов, могут соединяться последовательно, когда выход предыдущего звена является входом последующего. При этом результирующая передаточная функция будет равна произведению передаточных функций отдельных звеньев.

При параллельном включении звеньев системы они имеют общий вид, а сигналы на выходе суммируются.

Систему управления любой сложности можно свести к системе, состоящей из двух звеньев. Такое включение называется встречно - параллельным или включением с обратной связью.

При встречно - параллельном включении звеньев результирующая передаточная функция равна частному от деления передаточной функции прямой связи на единицу плюс или минус передаточная функция разомкнутого контура, в котором звенья включены встречно - параллельно. При этом знак плюс соответствует отрицательной, а минус - положительной обратной связи.



Рисунок 1 - Автоматизированная система регулирования

На рисунке 1 приняты следующие обозначения:

W_p(P), W_c(P), W_o(P), W_и(P) - передаточные функции: регулятора, исполнительного механизма, объекта регулирования, измерителя (датчика) соответственно;

ц_з, ц_д, ц_и - заданное, действительное и измеренное значения регулируемой величины соответственно;

л - возмущающее воздействие.

Тогда, передаточная функция разомкнутой системы автоматического регулирования:

W_раз(Р) = W_p(P) · W_c(P) · W_o(P) · W_и(P), (1)

где W_p(P) = К_р

W_c(P) =

W_o(P) =

W_и(P) = К_и

Тогда:



W_раз(Р) = W_p(P) · W_c(P) · W_o(P) · W_и(P) = =

= = =

= =

где b = К_р · К_о · К_и

a₀ = Т_с · Т_о · Т

a₁ = Т_с · Т_о + Т_с · Т

a₂ = Т_с

a₃ = 0

В итоге можно сказать, что разомкнутая система обладает астатизмом первого порядка (a₃ = 0), поэтому Р является общим сомножителем.

Для замкнутой системы можно записать передаточную функцию по каналу л>ц:

W_зс(Р) = = (2)

W_зс(Р) = = = = ·

· =

Прежде чем приступить к анализу устойчивости автоматизированной системы регулирования необходимо научиться определять характеристическое уравнение замкнутой системы. Оно может быть найдено путем приравнивания знаменателя передаточной функции замкнутой системы нулю, т.е.

1 + W_раз(Р) = 0 (3)



Пусть W_раз(Р) = В(Р) / А(Р), тогда

1 + В(Р) / А(Р) = 0 = А(Р) + В(Р)

Таким образом, если известна передаточная функция разомкнутой системы, то для получения характеристического уравнения замкнутой системы необходимо сложить полиномы числителя и знаменателя и приравнять сумму нулю,

А(Р) + В(Р) = 0

W_раз(Р) =

Здесь В(Р) =

А(Р) =

Сложив их, получаем в общем виде характеристическое уравнение замкнутой системы:

= 0

Характеристическое уравнение системы определяет ее устойчивость и поведение в свободном движении (при отсутствии внешнего воздействия и предварительно выведенной из состояния равновесия).

1.2 Алгебраический критерий устойчивости Гурвица

Критерий устойчивости Гурвица - один из способов анализа линейной стационарной динамической системы на устойчивость.

Достоинством метода является принципиальная простота, недостатком- необходимость выполнения операции вычисления определителя, которая связана с определенными вычислительными тонкостями (например, для больших матриц может оказаться значительной вычислительная ошибка).

Введем обозначения для характеристического уравнения системы:

= 0

где C₀ = Т

C₁ =

C₂ =

C₃ =

Для определенности примем:

Т = 10 · 500 · 30 = 150000

Т= 10 · 500 + 10 · 30 = 5300

Тс = 10

Кр · Ко · Ки = 17 · 1,3 · 1 = 22,1

Тогда, характеристическое уравнение замкнутой САР принимает вид:

С₀ · Р³ + С₁ · Р² + С₂ · Р + С₃ = 0

или

150000 · Р³ + 5300 · Р² + 10 · Р + 22,1 = 0

Для анализа устойчивости САР составим определитель:

= 5300 · 10 · 22,1 + 22,1 · 0 · 0 + 150000 · 5300 · 0 -

- 0 · 10 · 0 - 150000 · 22,1 · 22,1 - 5300 · 0 · 5300 =

= 1171300 - 73261500 = - 72090200

Необходимое условие устойчивости - положительность всех коэффициентов характеристического уравнения С₀, С₁, С₂, С₃ > 0 выполняется. Достаточное условие - положительность всех главных диагональных миноров до n - 1 порядка при С₀ > 0 проверим

Д₁ = С₁ > 0

Д₂ = = С₁ · С₂ - С₃ · С₀ = =

= 5300 · 10 - 22,1 · 150000 = - 3262000

Условие не выполняется, следовательно, замкнутая САР неустойчива.

1.3 Частотный критерий устойчивости Михайлова

Частотный критерий устойчивости Михайлова предполагает построение годографа на комплексной плоскости.

Для анализа устойчивости САР по частотному уравнению Михайлова, в характеристическое уравнение подставим p = j · щ

G (j · щ) = 150000 · (j · щ)³ + 5300 · (j · щ)² + 10 · (j · щ) + 22,1 (4)

Для облегчения процесса построения G (j · щ) при изменении щ от нуля до плюс бесконечности, найдем точки его пересечения с вещественной и мнимой осью комплексной плоскости. Для этого представим G (j · щ) в виде вещественной и мнимой части:

G (j · щ) = x (щ) + j · y (щ) = 22,1 - 5300 · щ² + j · (10 · щ - 150000 · щ³)



Для определения точек пересечения годографа Михайлова с вещественной осью приравняем нулю мнимую его часть:

10 · щ - 150000 · щ³ = 0

Отсюда щ₁ = 0, щ₃ = = 0,008

Подставим значения щ₁ , щ₃ в вещественную часть, находим:

x (щ₁) = x (0) = 22,1

x (щ₃) = x (0,008) = 22,1 - 5300 · 0,008² = 21,76

Приравнивая нулю вещественную часть G (j · щ), находим:

щ₂ = = 0,06

Подставив значение щ₂ в мнимую часть G (j · щ), получим:

y (щ₂) = y (0,06) = 10 · 0,06 - 150000 · 0,06³ = - 31,8

Рисунок 2 - годограф Михайлова

Поскольку щ₂ > щ₃ чередуемость корней не соблюдается, то система управления неустойчива. Построив годограф Михайлова по полученным точкам, делаем вывод, что система неустойчива.

2. Проектирование одноконтурной системы автоматического регулирования

2.1 Описание технологического процесса

Основной задачей, стоящей перед предприятиями пищевой отрасли, является выпуск качественной продукции, соответствующей по физико-химическим, микробиологическим и органолептическим показателям действующей нормативно-технической документации.

При производстве виноградного сока и других пищевых продуктов проблемы сохранения их качества имеют первоочередное значение. Предотвращению порчи продуктов, увеличению сроков их хранения способствует своевременная термообработка, при которой под воздействием высокой температуры уничтожается болезнетворная микрофлора. Поэтому без таких процессов, как пастеризация или стерилизация невозможно ни одно современное производство.

Пастеризация осуществляется при температурах ниже точки кипения продукта (от 65 до 95°С). Выбор температурно-временных комбинаций режима пастеризации зависит от вида вырабатываемого продукта и применяемого оборудования, обеспечивающих требуемый бактерицидный эффект (не менее 99,98%), и должен быть направлен на максимальное сохранение первоначальных свойств молока, его пищевой и биологической ценности.

Цели пастеризации следующие:

- уничтожение патогенной микрофлоры, получение продукта, безопасного для потребителя в санитарно-гигиеническом отношении;

- снижение общей бактериальной обсемененности, разрушение ферментов сырого продукта, вызывающих порчу пастеризованного продукта, снижение его стойкости в хранении;

- направленное изменение физико-химических свойств продукта для получения заданных свойств готового продукта, в частности, органолептических свойств, вязкости, плотности сгустка и т.д.

К существенным недостаткам существующих пастеризационных установок, значительно усложняющим работу обслуживающего персонала и негативно влияющим на производительность и качество технологического процесса, следует отнести следующее:

- дроссельное регулирование подачи молока и теплоносителей, что приводит к нерациональным расходам электроэнергии;

- отсутствие системы автоматического поддержания заданной температуры сока в предусмотренных технологическим процессом пределах;

- отсутствие перепускного клапана для оперативного переключения технологических контуров в аварийных режимах;

- отсутствие системы управления верхнего уровня, обеспечивающей автоматический режим работы пастеризационной установки;

- отсутствие системы визуализации и диспетчерского контроля над технологическим процессом.

Модернизация пастеризационной установки направлена на устранение перечисленных недостатков, обеспечения качества технологического процесса, повышения надежности и снижения расходов на обслуживание оборудования.

В результате реализована система автоматического поддержания заданной температуры молока в предусмотренных технологическим процессом пределах.

Пастеризатор-охладитель сока серии ОКЛ - 5 представляет собой пластинчатый теплообменник из трех секций, подогреваемый горячей водой и паром.

Принцип работы пластинчатой пастеризационно-охладительной установки серии ОКЛ - 5:

1. Исходный продукт (сок) насосом подается в секцию регенерации 3-х секционного пластинчатого аппарата для предварительного нагрева до температуры +45…+50°С и далее направляется в секцию пастеризации, где нагревается до заданной температуры +76±2°С. Далее, нагретый сок поступает последовательно в секции регенерации и охлаждения.

2. Нагрев в секции пастеризации до требуемой температуры осуществляется горячей водой с температурой +55…+60°С, которая циркулирует с помощью центробежного насоса в замкнутом контуре бойлерно-инженерного блока, проходя последовательно через инжектор пара, секцию пастеризации теплообменного аппарата и конвекционный бак.

3. Охлаждение сока до необходимой температуры +4…+6°С осуществляется в два этапа по принципу противотока: вначале, - в секции регенерации исходным холодным молоком до температуры +8…+10°С и затем, в секции охлаждения - хладоносителем до +4…+6°С.

2.2 Описание схемы автоматизации

Регулируемым параметром процесса пастеризации является температура готового продукта (сока) на выходе из секции пастеризации, а контролируемым - расход нагреваемого сока на входе в пастеризатор.

Система автоматизации предусматривает стабилизацию заданной температуры пастеризации путем пропорционального уменьшения или увеличения расхода нагреваемого молока.

Схема автоматизации пастеризатора включает в себя два контура.

Температура сока, на выходе из пастеризатора, преобразуется в электрический сигнал с помощью термопреобразователя ТСМУ - 205 (2-1) и передается на ПИД - регулятор ОВЕН ТРМ - 10 (2-2), который сравнивает измеренное значение температуры с заданным (+76±2°С) и, в случае рассогласования, вырабатывает управляющее воздействие на автоматический запарно-регулирующий односедельный гидроклапан КЗР (2-3).

В случае, когда температура продукта ниже +76±2°С гидроклапан (2-3) закрывается и расход жидкости уменьшается, следовательно, время нахождения молока в пастеризаторе увеличивается и температура сока на выходе возрастает. Если температура выше, заданной, то гидроклапан (2-3) открывается и расход жидкости увеличивается, уменьшая время нахождения молока в пастеризаторе и понижая температуру продукта на выходе.

Расход сока на входе в пастеризатор измеряется диафрагмой ДКС (1-1), к которой подключен дифмонометр АИР - 20/М2 (1-2).

2.3 Выбор и обоснование средств контроля и регулирования

2-1 - Термопреобразователь с унифицированным выходным сигналом ТСМУ-205

Назначение и область применения.

Термопреобразователь предназначен для преобразования значения температуры жидких, газообразных и сыпучих веществ в унифицированный токовый выходной сигнал.

Обеспечивает измерение температуры нейтральных и агрессивных сред, не разрушающих материал защитной арматуры.

Используется в системах автоматического контроля и регулирования температуры на объектах энергетики, нефтяной, газовой, горнодобывающей и других отраслей промышленности.

Конструктивные особенности и преимущества.

Термопреобразователь состоит из первичного преобразователя и измерительного преобразователя.

В качестве первичных преобразователей используются термопреобразователи сопротивления с НСХ - 100М.

Измерительный преобразователь представляет собой печатную плату диаметром 43 мм, залитую с двух сторон компаундом, на которой размещены элементы электронной схемы.

Измерительный преобразователь преобразует сигнал, поступающий с выхода первичного преобразователя, в унифицированный токовый выходной сигнал, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей.

Технические данные

- Диапазон преобразуемых температур -50…+50?С;

- Предельное избыточное рабочее давление - 1 МПа;

- Масса - 0,2 кг;

- Выходной унифицированный сигнал - 4…20 мА;

- Схема подключения - 2-х проводная;

- Сопротивление нагрузки Rн - до 1000 Ом;

- Предел допускаемой основной приведенной погрешности - 0,5 %.

2-2 - Измеритель ПИД - регулятор с дополнительным реле ОВЕН ТРМ10

Назначение и область применения.

Терморегулятор ОВЕН ТРМ10 предназначен для измерения входного параметра, импульсного или аналогового управления нагрузкой по пропорционально-интегрально-дифференциальному (ПИД) закону, а также для формирования дополнительного, который может быть использован для сигнализации о выходе параметра за установленные границы.

Прибор ОВЕН ТРМ10 рекомендуется применять для управления объектами, обладающими повышенной инерционностью, где обычное двухпозиционное регулирование не обеспечивает необходимую точность. При использовании в качестве терморегулятора ОВЕН ТРМ10 может управлять как процессом нагрева, так и процессом охлаждения объекта.

Конструктивные особенности и преимущества.

ПИД - регулятор ОВЕН ТРМ10 обладает рядом преимуществ:

- повышенная точность измерений - погрешность измерений не превышает 0,15 % (при классе точности 0,25/0,5)

- увеличенный срок гарантии - гарантийный срок обслуживания ТРМ10 составляет 5 лет

- улучшенные показатели климатического исполнения - допустимый диапазон рабочих температур от -20 до +50 °С

Технические данные.

- Количество входов для подключения датчиков1

- Предел допустимой основной погрешности

измерения входного параметра+0,5%

(без учета погрешности датчика)

- Максимально допустимый ток источника питания100 мА

2-3 - Автоматический запорно-регулирующий односедельный гидроклапан КЗР

Назначение и область применения.

Гидроклапан предназначен для использования на тепловых пунктах, системах вентиляции тепличных хозяйств, а также в других областях народного хозяйства для автоматического регулирования тепловых процессов путем автоматического изменения пропускной способности, а также для работы в качестве запорного устройства.

Конструктивные особенности и преимущества.

Клапан является регулирующим и запорным органом одновременно, что исключает необходимость установки запорных устройств до и после регулирующей арматуры в технологических линиях.

Уплотнение в затворе «металл по металлу» позволяет поднять температуру теплоносителя до 225°С и устраняет недостатки классически применяемых мягких уплотнений

Технические данные.

- Температура окружающей среды: от -25° до +40°С

- Температура рабочей среды: до 225°С

- Рабочая среда - вода, перегретый пар, воздух и другие, жидкие и газообразные среды, нейтральные к материалам деталей, соприкасающихся со средой

- Средний срок службы - 10 лет

1-1 - Диафрагма ДКС 0,6 - 50 -- камерная стандартная с угловым способом отбора перепада давления.

Назначение и область применения.

Диафрагмы камерные стандартные ДКС предназначены для создания перепада давления при измерении расхода жидкостей, газов или пара по методу переменного перепада давления во фланцах трубопровода.

Диафрагма ДКС применяется при диаметре условного прохода 50 мм включительно и избыточном давлении в трубопроводе 0,6 МПа.

Конструктивные особенности и преимущества.

Конструктивные особенности диафрагмы ДКС представляют собой сборочный узел, состоящий из самой диафрагмы, двух кольцевых камер («плюсовой» и «минусовой») корпуса, прокладки и патрубков отбора давления.

Отбор давления среды в корпуса кольцевых камер ДКС выполняется через кольцевую щель.

Преимуществами являются: отсутствие движущихся частей, высокая надежность конструкции, беспроливная поверка в любом региональном центре стандартизации и метрологии, межповерочный интервал - 1 год.

Технические данные.

- Однофазная и однородная среда (газ, пар, жидкость)

- Давление рабочей средыдо 0,6 МПа

- Температура рабочей среды - 60...400 С

- Трубопроводы круглого сечения с внутренним диаметром 50 мм

1-2 - Преобразователь давления измерительный АИР - 20/М2 ДД

Назначение и область применения.

Датчик давления предназначен для преобразования дифференциального давления в унифицированный выходной сигнал 4…20 мА.

Конструктивные особенности и преимущества.

Преобразователи выпускаются с различными присоединительными размерами и материалами штуцеров и фланцев, с разными материалами контактирующих с измеряемой средой сенсоров и мембран.

Для удобства отображения измеряемого давления применяются жидкокристаллические (ЖК) или светодиодные (СД) индикаторы. Корпус преобразователей вращается произвольно на 270 градусов.

АИР-20 - это современный, надежный, точный прибор, не уступающий по своим характеристикам лучшим мировым образцам. Преобразователи давления с цифровым сигналом в стандарте HART-протокола имеют следующие преимущества относительно датчиков с аналоговым сигналом:

высокая помехозащищенность цифрового сигнала;

возможность удаленного доступа к датчику;

конфигурирование и настройка параметров на расстоянии;

тестирование работоспособности датчика;

непрерывная самодиагностика преобразователя.

Благодаря конструктивной гибкости, все модели датчиков давления имеют возможность удобного монтажа и визуализации информации.

Технические данные.

- 8 диапазонов измерения;

- Возможность настройки на нестандартные диапазоны измерения;

- Погрешность -- от ±0,1%;

- Выходной сигнал -- один 4...20 мА или два 0...5/4...20 мА одновременно;



Заключение

В курсовой работе были произведены расчеты устойчивости системы автоматического регулирования с помощью преобразования структурной схемы, алгебраического критерия устойчивости Гурвица и частотного критерия устойчивости Михайлова. Система оказалась неустойчивой.

Также была спроектирована одноконтурная системы автоматического регулирования процесса пастеризации виноградного сока, описаны технологический процесс и схема автоматизации данного процесса с выбором и обоснованием средств контроля и регулирования.

Автоматизация процесса пастеризации сока необходима, так как для повышения качества продукции необходимо строго соблюдать рецептуру и выдерживать температурный режим. В результате проведенной автоматизации были устранены следующие недостатки:

- дроссельное регулирование подачи сока и теплоносителей, что приводит к нерациональным расходам электроэнергии;

- отсутствие системы автоматического поддержания заданной температуры сока в предусмотренных технологическим процессом пределах;

- отсутствие перепускного клапана для оперативного переключения технологических контуров в аварийных режимах;

- отсутствие системы управления верхнего уровня, обеспечивающей автоматический режим работы пастеризационной установки;

- отсутствие системы визуализации и диспетчерского контроля над технологическим процессом.

Также автоматизация обеспечила качество технологического процесса, повысила надежность и снизила расход на обслуживание оборудования.



Список используемой литературы

1.Автоматизация производственных процессов и АСУТП в пищевой промышленности /Под ред.Л.А.Широкова.-М.,1986.-311с.

2.Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств: Учебник.-М.,1983.-424с.

3.Основы автоматизации технологических процессов пищевых производств: Учеб.пособие.-М.,1982.-295с.

4.Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Автоматизация химических произ-водств: Учеб.пособие.-М.,1982.-295с.

5.Стефани Е.П.Основы построения АСУТП: Учеб.пособие.-М.,1982.-352с.

6.Автоматизация технологических процессов пищевых производств /Под ред. Е.Б.Карпина.-М.,1977.-426с.

7.Автоматизированные системы управления предприятиями молочной промышленности /Ю.П.Маркин, Б.В.Семенов, Н.П.Лакшин и др.-М.,1977.-271с.

8.Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы: Справ.пособие/Под ред.Б.Д.Кошарского.-Л.,1976.-485с.

9.Брусиловский Л.П.,Вайнберг А.Я., Черняков Ф.С.Автоматизированные системы управления технологическими процессами предприятий молочной промышленности.-М.,1986.-232с.

10.Брусиловский Л.П., Вайнберг А.Я. Автоматизация технологических процессов производства молочных консервов.-М.,1985.-280с.



Приложение

Позиция	Обозначение	Наименование	Количество
1-1	ДКС 0,6 - 50	Камерная стандартная диафрагма с угловым способом отбора перепада давления.	1
1-2	АИР - 20/М2 ДД	Преобразователь давления измерительный	1
2-1	ТСМУ-205	Термопреобразователь с унифицированным выходным сигналом	1
2-2	ОВЕН ТРМ10	Измеритель ПИД - регулятор с дополнительным реле	1
2-3	КЗР	Автоматический запорно-регулирующий односедельный гидроклапан	1

Размещено на Allbest.ru