Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На тему: Модернизация автоматизированной системы котельной установки на базе микроконтроллеров

Направление подготовки: «Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)»

Москва 2016г.



СОДЕРЖАНИЕ

• Введение
• 1. Основной раздел
• 1.1 Котельный агрегат ТП-80
• 1.2 Пароводяной тракт котла (объект регулирования)
• 1.3 Анализ методов измерения уровня в барабане
• 1.4 Анализ средств измерения
• 1.5 Анализ объекта управления
• 1.6 Разработка функциональной схемы автоматизации
• 1.7 Функциональная схема автоматизации уровня
• 1.8 Характеристики аппаратуры автоматического регулирования
• 1.9 Разработка структурной схемы АСР уровня в барабане котла
• 1.10 Выбор типового закона регулирования
• 1.11 Составление алгоритмической схемы
• 1.12 Расчет устойчивости
• 1.13 Расчет статической ошибки
• 1.14 Моделирование системы управления
• 1.15 Щит автоматики
• 1.16 Схема внешних соединений
• 1.17 Рекомендации по монтажу
• 1.18 Безопасность жизнедеятельности
• Заключение
• Список использованной литературы


Введение

Автоматизацией механизированного производства называют применение технических средств (от простейших измерительных приборов и регуляторов до современных электронных вычислительных машин) и систем управления, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах выработки, преобразования и передачи энергии(материалов и информации).

Научно-технический прогресс в современном промышленном производстве в значительной мере связан с автоматизацией.

К настоящему времени автоматизация производства выделилась в самостоятельную отрасль науки и техники, в которой разрабатываются вопросы теории автоматического управления и автоматические системы регулирования производственных процессов, создаются и внедряются необходимые технические средства.

В автоматизированном производстве человек призван лишь периодически воздействовать на главные машины, механизмы и установки, определяющие нормальный ход технологического процесса, и наблюдать за наиболее важными его параметрами по показаниям приборов. Автоматизация тепловой части электрических станций предусматривает:

- дистанционное управление, или управление машинами и механизмами на расстоянии;

- теплотехнический контроль (измерение) текущих значений параметров технологического процесса;

- технологическую сигнализацию о состоянии основного и вспомогательного оборудования;

- автоматическую защиту основного и вспомогательного оборудования от возможных повреждений в процессе эксплуатации;

- автоматическое непрерывное регулирование, обеспечивающее автоматическое поддержание технологических параметров вблизи заданного значения;

- логическое управление, обеспечивающее автоматическое включение или отключение регуляторов, машин, механизмов и установок в заданной последовательности.

Перечисленные функции выполняются одноименными подсистемами управления. Человек - оператор и подчиненные ему подсистемы должны управлять процессами выработки заданного количества топоту и электрической энергий, поддерживать значения основных технологических параметров, чтобы обеспечить минимум расхода топлива. Учитывая, что на экономичность установок оказывает влияние большое количество взаимодействующих факторов, для ее оценки можно использовать электронную цифровую вычислительную машину (ЭЦВМ), обеспечивающую автоматический сбор необходимой информации и расчет ТЭП.

Подсистемы контроля, управления и расчета ТЭП вместе с ЭЦВМ, подчиненной оператору, образуют автоматизированную систему управления технологическими процессами (АСУ ТП) тепловой электростанции.

Применение автоматизированных систем управления позволяет повысить надежность и экономичность энергетических установок при малом числе обслуживающего персонала, способствует повышению его квалификации. При этом ЭЦВМ может быть передана значительная часть функций по контролю и управлению.

Энергетическая программа России предусматривает модернизацию существующего оборудования ТЭС и совершенствование их систем управления в широких масштабах. В связи с этим для полного вытеснения ручного труда эксплуатационного персонала предстоит выполнить целый ряд мероприятий организационного и научно-технического характера в масштабе электростанций и энергосистем. В частности, довести до конца механизацию и автоматизацию разгрузки, складирования и транспортирования твердого топлива в пределах ТЭС, удаления и транспортировки шлака, очистки поверхности нагрева и обмывки паровых котлов, работающих на твердом топливе, и др.

Создание автоматизированных систем управления, как на действующих, так и на вновь строящихся электростанциях связано с дальнейшим развитием отраслей промышленности, выпускающих новые технические средства автоматики и вычислительной техники, а также с экономическими возможностями социалистических предприятий.

В настоящее время можно наметить следующие рубежи этого процесса. На первом этапе предстоит окончательно внедрить и освоить технические средства, позволяющие уверенное управление энергоблоком одним или двумя операторами во всех режимах эксплуатации. На втором - сократить оперативную загруженность персонала, связанную с выполнением однообразных действий по контролю и управлению, передав эти функции ЭЦВМ, с тем, чтобы сосредоточить внимание на главном: выработке заданного количества электрической энергии и теплоты при выполнении установленных норм удельных расходов топлива. На третьем - наряду с выполнением задач первого и второго этапов значительно расширить кибернетические возможности комплекса технических средств, установить непрерывную связь АСУ ТП ТЭС по каналам контроля и управления с подсистемами нижнего и верхнего уровней с целью усиления взаимодействия электростанций, энергосистем и энергообъединений, решающих общую задачу повышения надежности и экономической эффективности энергоснабжения потребителей. Автоматизация ТЭС на основе АСУ ТП соответствует общему направлению и перспективам развития энергетики в России.

1. Основной раздел

1.1 Котельный агрегат ТП-80

котельный установка конвективный

Конструкция и устройство технологического оборудования, технические характеристики.

Котлоагрегат ТП - 80 Таганрогского котельного завода, барабанный, с двухступенчатой схемой испарения и промежуточным перегревом пара. Котел имеет П-образную компоновку. Расположение радиационных и конвективных поверхностей нагрева по ходу пара следующее: два ряда ширм - в верхней части топки; I, II и III ступени первичного конвективного пароперегревателя - в горизонтальном газоходе; выходная и входная ступени вторичного пароперегревателя, 1 ступени (холодный пакет) первичного пароперегревателя и две ступени водяного экономайзера - в вертикальной конвективной шахте.

Основные параметры котлоагрегата ТП - 80 при работе на газе и мазуте:

1) Производительность котла по первичному пару: 420 т/ч,

2) Давление в барабане: 155 кгс / см²

3) Давление пара на выходе из первичного пароперегревателя: 140 кгс/см²

4) Температура пара на выходе из первичного пароперегревателя: 545 ⁰ С

5) Расход пара через промежуточный пароперегреватель: 380 т/ч

6) Давление пара перед промежуточным пароперегревателем: 27 кгс/см²

7) Температура пара перед промежуточным пароперегревателем:333 ° С

8) Давление пара после промежуточного пароперегревателя: 25 кгс/см²

9) Температура пара после промежуточного пароперегревателя: 540 ° С

10) Температура питательной воды - 243 ° С.

Подогрев воздуха осуществляется в вынесенном регенеративном вращающемся воздухоподогревателе (РВП) вынесенном за пределы котла.

Топка и опускной газоход имеет общую газоплотную стенку, которая является задним экраном топки.

Водяной объемкотла130 м³.

Паровой объемкотла87 м³.

Рисунок.1. Продольный разрез котла ТП - 80

Продольный разрез котла ТП-80 паропроизводительностью 420 т/ч для сжигания природного газа: 1 - барабан; 2 - топочная камера; 3 -горелки; 4 - пол с леткой; 5 - ширма; 6 - конвективная часть пароперегревателя; 7 - экономайзер; 8 - трубчатый воздухоподогреватель; 9 - выносной сепарационный циклон.

1.2 Пароводяной тракт котла (объект регулирования)

Пароводяной тракт котла показывает путь пара идущего из барабана котла к турбине в процессе паросъема, а также подачу питательной воды к барабану. Тракт включает в себя следующее оборудование:

1. Барабан;

2. Пароперегреватели;

3. Водяной экономайзер;

4. Впрыскивающий пароохладитель.

Питательная вода, пройдя водяной экономайзер, подогревается уходящими дымовыми газами до определенной температуры (t = 230⁰С), и подается двумя потоками в барабан котла. Расход питательной воды, поступающей в барабан равен расходу пара на выходе из котла, за вычетом 3% на продувку барабана.

Впрыск осуществляется при помощи впрыскивающих пароохладителей, в которых для впрыска поступает используется питательная вода.

Основными параметрами пара на выходе из котла являются его температура, расход и давления.

Барабан

Рисунок.2. Барабан котла

Котел имеет барабан внутренним диаметром 1800мм, толщиной стенки 100мм и длиной цилиндрической части 16400мм (ст. 16ГНМ). Средний уровень в барабане находится на 200мм ниже геометрической оси, а допускаемый уровень воды ±75мм от среднего.

Пароводяная смесь вводится в паровое пространство барабана с двух сторон через общие распределительные короба, из которых равномерно раздается в циклоны.

Процесс парообразования происходит в замкнутой системе естественной циркуляции. Вода из барабана опускается по необогреваемым (опускным) трубам в нижние сборные коллектора и затем, вместе с образующимся паром, поднимается обратно в барабан, где вода отделяется от пара на зеркале испарения и снова направляется в опускные трубы, а пар, через пароотводящие трубы, направляется в турбину через пароперегреватели.

В котле чистота перегретого пара определяется качеством воды, из которой он образуется. Чем меньше концентрация веществ в кипящей воде, тем чище получится пар. Для получения чистого пара необходима сепарация мелких капель влаги из потока, отводимого из барабана пара. Процесс сепарации происходит при помощи внутрибарабанного циклона.

Для уменьшения потерь воды с продувкой, снижения тепловых потерь при обеспечении выработки пара заданного качества в котлах используется ступенчатое испарение воды.

Назначением барабанов паровых котлов является:

1. Разделение пароводяной смеси на воду и пар на зеркале испарения;

2. Смешивание потоков котловой и питательной вод;

3. Создание замкнутого контура естественной циркуляции;

4. Сепарация капельной влаги из пара;

5. Непрерывная и периодическая продувка;

6. Внутрикотловая обработка воды (термическое и химическое умягчение воды);

Пароперегреватели

Пароперегреватели предназначены для перегрева поступающего в него пара до заданной температуры. Они являются одними из наиболее ответственных элементов котла, т.к. температура пара здесь достигает наибольших значений, и металл пароперегревателей работает в условиях, близких к предельно-допустимым.

По характеру тепловосприятия пароперегреватели делятся:

- радиационные;

- ширмовые (полурадиационные);

- конвективные.

Радиационные пароперегреватели котла ТП - 80 располагаются на стенах и потолке топочной камеры котла и горизонтального газохода. Они получают теплоту радиацией (излучением) от высоко - нагретых газов.

Ширмовый пароперегреватель имеет две ступени, и размещен на выходе из топки до подвесных труб заднего экрана. Пароперегреватель имеет вид плоской ширмы собранной из пароперегревательных труб, находящихся друг за другом в одном ряду.

Конвективный пароперегреватель имеет четыре ступени, которые расположены в конвективной шахте газохода котла. Они получают теплоту конвекцией (переноса теплоты путем перемешивания вещества).

Ширмовый пароперегреватель включен между двумя конвективными пакетами. Первый конвективный пакет включен сразу за потолочным перегревателем и имеет еще достаточно низкую температуру пара. Поэтому он работает при наличии достаточно высокого температурного напора. Выходной конвективный пакет перегревателя располагается в зоне достаточно высоких температур газов, что сохраняет необходимый температурный напор.

Водяной экономайзер

Водяной экономайзер состоит из двух частей:

1. Система подвесных труб с поверхностью нагрева - 552м².

2. Конвективный водяной экономайзер с поверхностью нагрева - 8355м².

Конвективный водяной экономайзер состоит из восьми пакетов (4 слева и 4 справа), каждый из которых состоит из 2 блоков. Блоки опираются через штампованные стойки на балки, находящиеся в конвективной шахте.

Подвод питательной воды к блокам водяного экономайзера осуществляется 8 трубами и 4 входными коллекторами, по два слева и два справа. Входные коллекторы расположены в необогреваемой зоне. Выход питательной воды осуществляется через 6 выходных коллекторов, расположенных на боковых стенах конвективной шахты. Подвод воды в барабан котла осуществляется через 12 труб и водяного экономайзера. Расчетная температура питательной воды после водяного экономайзера на газе 331°С, на мазуте 308°С.

Впрыскивающий пароохладитель

Действие пароохладителя основано на снижении температуры пара путем введения впрыска охлаждающего конденсата.

Первый пароохладитель установлен после первой ступени ширмового пароперегревателя на каждой из паровых ниток.; второй - после второй ступени конвективного пароперегревателя, также на каждой из ниток, третий на выходе из котла.

Впрыскивающий пароохладитель представляет собой самое простое в конструктивном отношении устройство парового регулирования. Это прямой участок паропровода длиной 6 - 7 м, который служит для впрыска конденсата в поток перегретого пара. Конденсат вводится через форсунку - распылитель с несколькими отверстиями диаметром 5 мм. Во избежание попадания относительно холодных струй конденсата на стенки паропровода, имеющего температуру перегретого пара, внутри паропровода установлена разгруженная от давления защитная рубашка.

Рисунок.3. Впрыскивающий пароохладитель:

1 - форсунка распылитель;2 - присоединительный штуцер; 3 - паропровод;4 - защитная рубашка



1.3 Анализ методов измерения уровня в барабане

Регулирование уровня в барабане осуществляется с помощью регулятора питания котла. Существуют различные способы регулирования уровня воды в барабане. Самые распространенные из них - это одноимпульсный и комбинированный (трёхимпульсный).

- Одноимпульсный регулятор уровня:

Рисунок.4.Одноимпульсный регулятор питания

1 - регулирующий питательный клапан;2 - Регулятор уровня;

3 - Барабан котла.

Регулирование питания осуществляется на основе показаний одного датчика уровня в барабане. Такая схема конструктивно проста и удобна. Она применяется на энергетических котлах малой мощности или на водогрейных - отопительных котлах, где нет жёсткой зависимости от паропроизводительности и количества поданной питательной воды.

На энергетических котлах большой паропроизводительности широко используется трёхимпульсный регулятор питания котла:

Рисунок.5. Схема регулирования уровня воды в барабане

1 - Барабан котла;2 - Водяной экономайзер;3 - Регулятор питания котла; 4 - Питательный клапан.

Введение импульса по расходу питательной воды придаёт регулятору функции стабилизатора расхода воды, устраняя зависимость уровня от колебаний перепада давлений на клапане, а введение импульса по расходу пара на выходе позволяет контролировать жесткое соответствие между паром и водой, и избежать пережога труб, возникающего при повышении расхода перегретого пара без изменения расхода питательной воды.

Регулятор питания котла служит для поддержания соответствия материального баланса между паром и водой. Средний уровень в барабане должен поддерживаться постоянным при изменении нагрузки котла. Максимально допустимые отклонения уровня воды в барабане составляют ±100 мм от среднего значения, но при номинальной нагрузке отклонение не допускается. Снижение уровня в барабане называется «упуском» воды, а повышение - «перепиткой».

Автоматический регулятор должен обеспечить постоянство среднего значения уровня независимо от нагрузки парового котла и других возмущающих воздействий.

Регулятор воздействует на положение клапана на линии подачи питательной воды при отклонениях уровня от заданного значения.

Основной сигнал (рабочая среда) по уровню в барабане котла подается от датчика уровня, установленный по месту, на дифференциальный манометр, а с него, токовый сигнал 4-20мА, подаётся на регулирующую аппаратуру установленную на неоперативной панели БЩУ в щите автоматики. Измерение уровня происходит путём появления разности давлений столбов жидкости в уравнительном сосуде.

При срабатывании регулятора, сигнал поступает на усилитель установленный в силовом щите, и затем на сервопривод, установленный по месту, на линии питательной воды, с помощью которого происходит изменение положения регулирующего органа (питательного клапана) на линии питательной воды.

Сигналы по расходу питательной воды и по расходу пара на выходе из котла численно равны, но противоположны по знаку, и уравновешивают друг друга.

1.4 Анализ средств измерения

Принципиально, схема измерения уровня в барабане выглядит следующим образом:

Рисунок.6.Уровнемер - дифманометр

1 - Двухкамерный уравнительный сосуд; 2 - Внутренняя трубка;

3 - Дифманометр.

Для энергетических паровых котлов большой производительности используется исключительно метод измерения уровня через перепад давлений.

Уравнительный сосуд должен иметь 2 камеры, которые соответствуют паровому и водяному пространствам барабана. Применение такого сосуда исключает прямое воздействие агрессивной среды на дифманометр, тем самым обеспечивая его правильность измерений и надёжную, бесперебойную и долговечную работу.

Дифманометр подключается в схему через систему импульсных трубок, должен иметь герметичные соединения с ними. Также необходимо использование первичных и вторичных вентилей, которые способны перекрыть поток столбов жидкости от уравнительного сосуда.



1.5 Анализ объекта управления

Для расчёта системы автоматического регулирования, необходимо вывести передаточную функцию объекта управления.

На рисунке 8 изображена кривая разгона объекта управления, которая показывает, как изменяется уровень в барабане при подаче питательной воды в течение времени. По оси ординат показано изменение показаний разности давлений столбов жидкости (показатель уровня)(КПа), по оси абсцисс -изменение уровня во времени (мин).

Кривая разгона взята из технической литературы по устройству барабанных котлов.

Рисунок.7.Кривая изменения уровня при подаче питательной воды

На рисунке 7 изображена часть кривой разгона по изменению уровня при подаче питательной воды на котёл.

Следовательно, передаточная функция объекта управления:

Где:

Анализ выходных параметров, возмущений и управляющих воздействий:

При любом расходе воды на котёл, уровень в барабане не должен иметь отклонений (0 мм). Поддержанию уровня способствует регулирующий питательный клапан на линии подачи воды, а также показания расходомеров на линии пара и питательной воды, с жесткими уставками. Максимальный расход воды на котёл составляет 420 т/ч, что соответствует такому же расходу пара на выходе. При отклонении одного из этих параметров срабатывает сигнализация, оповещающая оператора изменять расход воды воздействием на питательный клапан.

На уровень в барабане оказывают влияние 2 возмущения:

- по расходу питательной воды;

- по расходу пара на выходе.

При повышении подачи расхода воды на котёл, происходит его перепитка, в результате чего повышается уровень воды в барабане выше предельно допустимого, вследствие чего возможен заброс воды в паровую турбину. Происходит авария с разрывом лопаток турбины.

После повышения уровня в барабане на 100 мм, должна срабатывать защита, действующая на останов котла, необходимая для ликвидации подобных аварий.

При повышении пара на выходе из котла, уровень в барабане начинает стремительно снижаться, что приводит к пережогу труб паровой магистрали. В результате, эти трубы разрывает, и появляется необходимость их замены.

1.6 Разработка функциональной схемы автоматизации

Автоматическое регулирование пароводяного тракта котла

Автоматическая система регулирования должна обеспечить поддержание основных параметров пара на выходе из котла (расход, температуру, давление) на определенном заданном значении.

Основным показателем расхода пара на выходе из котла является уровень в барабане котла, который отображает материальное соответствие между расходом питательной воды, подаваемой из деаэратора, и расходом пара. Уровень в барабане необходимо постоянно поддерживать.

Основным показателем температуры пара на выходе из котла является температура промежуточного перегрева пара.

Для нормального режима работы пароводяного тракта необходимо присутствие трех регуляторов:

1. Регулятор питания котла;

2. Регулятор температуры промежуточного перегрева пара;

3. Регулятор непрерывной продувки;

При выходе из строя одного из регуляторов будут меняться основные параметры пара на выходе из котла, и возможен останов оборудования в связи с выходом его из строя.

Основная задача котла - выработка пара с заданными характеристиками. Основные характеристики пара - это его давление, расход и температура на выходе из котла. Эти параметры поддерживаются в жестких рамках с помощью вышеперечисленных регуляторов.

Технологические защиты действующие на останов котла:

1. Повышение температуры перегретого пара свыше рабочей;

2. Понижение температуры перегретого пара ниже установленной;

3. Повышение уровня в барабане котла ( на 200 мм выше среднего уровня);

4. Понижение уровня воды в барабане котла ( на 100 мм ниже среднего уровня);

5. Погасание факела в топке котла;

6. Повышение или понижение давления газа перед горелками;

7. Понижение давления пара на распыл мазута до 3 кгс/см²;

8. Понижение давления мазута перед горелками котла до 1.5 кгс/см² ;

9. Отключение двух дымососов;

10. Отключение двух дутьевых вентиляторов;

11. Отключение двух РВП;

12. Срабатывание общеблочных защит;

Операции, производимые при срабатывании технологических защит, действующих на останов котла:

1. Закрытие отсечного клапана, задвижки на подводе мазута к котлу и регулирующий клапан;

2. Закрытие задвижки на подводе мазута к горелкам;

3. Закрытие регулирующего клапана и отсечного клапана на сливе мазута;

4. Открытие задвижек на продувке пароперегревателя;

5. Закрытие задвижек на подводе питательной воды к впрыскам;

6. Закрытие задвижек на отводе «собственного» конденсата из конденсатора;

7. Отключение воздействия регуляторов на направляющие аппараты дымососов и дутьевых вентиляторов;

8. Закрытие задвижек на линиях аварийного впрыска в пароперегреватель;

9. При останове котла защитами по отключению двух РВП и отключению двух дымососов, отключаются оба дутьевых вентилятора;

1.7 Функциональная схема автоматизации уровня

На рисунке 8 изображена функциональная схема регулятора питания котла ТП - 80, реализованная на ОВЕН ПЛК - 160. Уравнительный сосуд (1-1), установленный непосредственно на барабане котла, подаёт сигнал, в виде двух столбов жидкости с разным давлением, на дифманометр - уровнемер (1-2), установленный по месту. Дифманометр преобразовывает естественный сигнал в унифицированный токовый 4-20мА, который поступает на аналоговый вход регулирующего контроллера ОВЕН ПЛК - 160.

Управляющий сигнал, уже с дискретного выхода ПЛК, поступает на пусковое устройство (4-2), где усиливается до уровня, необходимого для управления исполнительным механизмом (4-1).

В комплекте с исполнительным механизмом предусмотрен блок ручного управления БУ - 21 (4-3), который участвует только в ручном управлении исполнительным механизмом и с микроконтроллером не связан.

Сигнал по расходу питательной воды поступает с измерительной диафрагмы (2-1), в виде двух столбов жидкости с разным давлением, поступает на дифманометр (2-2). Он также преобразовывает сигнал в токовый 4-20мА, который поступает на аналоговый вход регулирующего контроллера ОВЕН ПЛК - 160.

Сигнал по расходу перегретого пара поступает с сопла(3-1), врезанного в трубопровод перегретого пара, поступает на дифманометр (3-2). Он также преобразовывает сигнал в токовый 4-20мА, который поступает на аналоговый вход регулирующего контроллера ОВЕН ПЛК - 160.

Для индикации параметров, в схеме предусмотрены показывающие приборы по уровню в барабане (1-3), расходу питательной воды (2-3) и расходу перегретого пара (3-3).

Рисунок.8. Функциональная схема автоматизации



Спецификация на аппаратуру регулирования уровня в барабане

№ п/п	№ поз.	Измеряемый параметр	Ном. значение параметров	Место установки	Наименование и хар-ка средств измерения	Тип	Кол-во
1	1-1	Уровень в барабане котла	0 мм	Барабан котла	Уравнительный сосуд, предел-315…+315 мм.вод.ст	СУМ-250-25	1
2	1-2			Приборы по месту	Преобразова-тель разности давлений (К=0.5, предел измере-ния 0-40 кПА,)	Метран 22ДД-2440	2
3	1-3			Панель оперативного контура	Показывающий цифровой прибор(К=0.5, рабочий диапазон -315…+315 мм.вод.ст,)	ИРТ - 53-22	1
4	4-2	Расход питательной воды на котел	420 т/ч	Приборы по месту	Пускатель бесконтактный реверсивный	ПБР-3А	1
5	4-1			Приборы по месту	Электрический однооборотный исполнительный механизм	МЭО-1600/63-025	1
6	4-3			Панель оперативного контура	Блок управления ИМ	БУ - 21	1
7	2-1	Перепад давления на СУ на линии питательной воды к котлу		Трубопровод питательной воды	Сужающее устройство диафрагма измерительная	На заказ	1
8	2-2			Приборы по месту	Преобразователь разности давлений (К=0.5, предел измерения 0-750 кПА,)	Метран 22ДД-2450	1
9	2-3			Панель оперативного контура	Показывающий цифровой прибор(К=0.5, рабочий диапазон 0-160, 0-700 т/ч)	ИРТ - 53-22	1
10	3-1	Перепад давлений на СУ на линии перегретого пара от котла		Трубопровод перегретого пара	Сварное соединение с соплом	На заказ	1
11	3-2			Приборы по месту	Преобразователь разности давлений (К=0.5,0-40 кПА, выход )	Метран 22ДД-2434	1
12	3-3			Панель оперативного контура	Показывающий цифровой прибор(К=0.5,диапазон 0-700 т/ч)	ИРТ - 53-22	1

1.8 Характеристики аппаратуры автоматического регулирования

- Уравнительный сосуд:

Рисунок.9.Двухкамерный уравнительный сосуд

В данной схеме автоматического регулирования для измерения уровня используется уравнительный сосуд СУМ - 250. Он предназначен для измерения уровня в закрытых резервуарах, а также для исключения влияния высоты столба жидкости на показания дифманометра, путем поддержания постоянного уровня жидкости в сосуде прибора.

- Дифманометр:

Используется преобразователь разности давления Метран-22ДД. Он предназначен для измерения разности давлений водяного столба, поступающего с уравнительного сосуда и преобразования его в унифицированный токовый сигнал 4 - 20мА.

Рисунок.10. Преобразователь Метран - 22ДД

- ОВЕН ПЛК 160:

Контроллер ОВЕН ПЛК 160 имеет 4 дискретных входов и 6 дискретных выходов, также 8 аналоговых входа и 4 аналоговых выхода.

Предусмотрено использование сигналов 4-20мА, 0-5мА, 0-1В, 0-10В, -50+50мВ, 0-5кОм.

ОВЕН ПЛК 160 осуществляет цифровую фильтрацию входного сигнала от помех и коррекцию измерительной характеристики датчика ("сдвиг", "наклон"). Для датчиков с унифицированным выходным сигналом тока или напряжения осуществляется масштабирование шкалы.

На верхней стороне контроллера находятся разъёмы интерфейсов Ethernet и RS-485.

На лицевой панели расположен порт Debug RS-232, предназначенный для связи со средой программирования, загрузки программы и отладки.

Рисунок.11.Овен ПЛК-160

По обеим боковым сторонам контроллера расположены клеммы для подключения дискретных датчиков и исполнительных механизмов. На переднюю панель контроллера выведена светодиодная индикация о состоянии дискретных

входов и выходов, о наличии питания и о наличии связи со средой программирования.

Также на передней панели имеются две кнопки «Старт/Стоп», предназначенные для запуска и остановки программы в контроллере и скрытая кнопка «Сброс», предназначенная для перезагрузки контроллера.

В контроллере имеется звуковой излучатель для сигнализации и часы реального времени с собственным аккумулятором.

[ПЛК 160. Контроллер программируемый логический. Руководство по эксплуатации]

- Блок управления БУ-21

Назначение: Блок управления аналогового регулятора БУ-21 предназначен для ручного переключения управления с нагрузкой регулирующего контроллера с автоматической «А» на ручное «Р» или внешнее «В» и для коммутации цепей ручного управления. Коммутация цепей ручного управления - кнопочное включение «Больше» - «Б» или «Меньше» - «М» - с самовозвратом и с внутренней электрической блокировкой от одновременного включения. Световая сигнализация напряжения постоянного или переменного тока величиной до 35 В осуществляется двумя светодиодами с кнопкой индикации «И».

- Указатель положения В12

Предназначен для визуального контроля токового сигнала 4-20мА и сигнала рассогласования на входе регулирующих блоков. Диапазон измерения контролируемого сигнала постоянного тока от 4 до 20 мА. Диапазон измеряемого контролируемого сигнала рассогласования при входном сопротивлении регулируемых блоков 500 Ом и изменение сигнала на входе регулирующих блоков в диапазоне (4-20мА). Погрешность не более 4%.

- Пускатель ПБР - 3А

Рисунок.12.ПБР - 3А

Пускатель бесконтактный реверсивный ПБР - 3А предназначен для управления электрическими исполнительными механизмами, в приводе которых используются трёхфазные электродвигатели. Пускатель обеспечивает пуск и реверс, защиту трёхфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором от перегрузки.

- Электрическое питание - переменный трёхфазный ток с напряжением 220/380В;

- Максимальный коммутируемый ток 3А;

- Мощность, потребляемая пускателем до 5Вт.

- Электрический исполнительный механизм МЭО-1600/63-025

Механизм электрический однооборотный типа МЭО-1600/63-025, необходим для перемещения регулирующего органа, в соответствии с командными сигналами автоматических регулирующих и управляющий устройств. Механизмы МЭО устанавливаются вблизи регулирующих устройств и связываются с ними посредством тяг и рычагов. Механизмы МЭО изготовляются с датчиком обратной связи (блоком сигнализации положения выходного вала) для работы в системах автоматического регулирования или без датчиков обратной связи - с блоком концевых выключателей для режима ручного управления. Виды блоков сигнализации положения - индуктивный БСПИ, реостатный БСПР, токовый БСПТ.

Характеристики МЭО:

- Номинальный крутящий момент на выходном валу: 1600;

- Номинальное время полного хода выходного вала: 25с;

- Номинальный полный ход выходного вала: 0.25 оборота;

- Потребляемая мощность в номинальном режиме 300Вт.

Рисунок.13 МЭО 1600/63 - 0.25

Для регулирующего питательного клапана, МЭО выполняют в одном корпусе с регулирующим органом.

1.9 Разработка структурной схемы АСР уровня в барабане котла

Рисунок.14. Структурная схема АСР

Структурная схема представляет собой одноконтурную замкнутую систему.

В барабане котла измеряется уровень, при помощи двухкамерного уравнительного сосуда СУМ 250 - 25. Рабочая среда (разность давлений столбов жидкости) поступает на дифманометр типа Метран - 22ДД. С него дискретный сигнал 4-20мА поступает на регулирующий микроконтроллер ОВЕН - ПЛК160. Для ОВЕН разработана управляющая программа, в которой сигнал, полученный с датчика, сравнивается с заданным значением и формируется управляющий сигнал. Этот сигнал поступает на исполнительный механизм типа МЭО 1600/63 - 0.25. Исполнительный механизм приводит в действие регулирующий питательный клапан (РО) на линии подачи питательной воды, изменяя тем самым ее расход. С исполнительного механизма на операторскую станцию выведен блок ручного управления БУ - 21, необходимый для ручного управления исполнительным механизмом, в случаях отказа или сбоя каких - либо программных настроек контроллера.

1.10 Выбор типового закона регулирования

Вторым этапом по выбору регулятора является определение типа регулятора (закона регулирования). Существуют различные таблицы, графики и номограммы по выбору типа регулятора, зависящие от динамических свойств объекта, относительной нагрузки, характера ее изменения.

Основные области применения того или иного типа линейного регулятора:

- П-регулятор применяют при любой инерционности объекта и небольшим запаздыванием ф /То ? 0.3 , при небольших изменениях нагрузки. В нем регулирующее воздействие формируется пропорционально величине и знаку рассогласования.

W(P) = Kn

Основной отличительной особенностью П - регулятора является то, что в равновесном режиме этот регулятор поддерживает регулируемый параметр не точно на заданном значении, а немного меньше заданного значения.

Большим положительным свойством П-регуляторов является то, что они имеют очень хорошие динамические свойства, т. е. обеспечивают быстро затухающий переходный процесс. Это свойство П -регулятор имеет за счет жесткой отрицательной обратной связи.

Динамические свойства П-регулятора близки к без инерционному звену. Применение таких регуляторов ограниченно такими технологическими процессами, которые не допускают даже небольшого статического отклонения. Однако, чтобы от него избавится, в закон регулирования вводят дополнительное регулирующее воздействие, которое осуществляется с помощью дополнительного ручного задатчика.

- И-регулятор применяют в объектах с малой и большой инерционностью объекта в системах с небольшим запаздыванием ф /То <0.1, при медленных изменениях нагрузки.

В этих регуляторах при возникновении рассогласования регулирующий орган начинает перемещаться со скоростью пропорциональной рассогласованию.

Достоинством такого регулятора является то, что в равновесном режиме работы он поддерживает регулируемый параметр точно на заданном значении, т. е. статические свойства у него хорошие. Но динамические свойства у него плохие, так как он дает длительный переходный процесс с большими отклонениями. И - регулятор из-за плохих динамических свойств, вызванных отсутствием обратной связи используется очень редко.

- ПИ-регулятор применяют при любой инерционности объекта, больших, но медленных изменениях нагрузки и значительном запаздывании ф /То ? 1

ПИ - регулятор сочетает в себе достоинства П - регулятора (хорошие динамические свойства) и хорошие статические свойства И -регуляторов. В этих регуляторах присутствует обратная связь (связь которая присутствует только во время переходного процесса). В результате динамические свойства много хуже, чем у П - регуляторов, но намного лучше, чем у И - регуляторов. Данные регуляторы имеют широкое практическое применение.

- ПИД-регулятор применяют в объектах с любой инерционностью при больших и резких изменениях нагрузки, больших запаздываниях ф /То ? 1.

Для улучшения статических свойств ПД - регулятора в закон регулирования вводят интегральную составляющую.

Данный регулятор имеет хорошие динамические и статические характеристики, но сложен в настройках, поэтому область его применения ограничена.

На рис.16 представлены семейства характеристик для определения типа регулятора, обеспечивающего получение максимального отклонения регулируемой величины, не превышающего заданного значения в зависимости от отношения ф/То для процесса с 15%-ым перерегулированием.

Рисунок.15.Семейства характеристик для определения типа регулятора

По графику, показанному на рис. 2, восстановим перпендикуляр из точки абсциссы с координатой , который пересечет кривые для регуляторов. Проведя линии параллельно оси абсцисс через точки пересечения, получим:

П-регулятор - Хmax = 0,58;

И-регулятор - Хmax = 0,41;

ПИ-регулятор - Хmax = 0,17;

ПИД-регулятор - Хmax = 0,04.

Таким образом обеспечение всех качественных показателей возможно в системе с ПИ- и ПИД-регулятором. Выбираем ПИ-регулятор.

1.11 Составление алгоритмической схемы

Алгоритмическая модель регулирования уровня воды в барабане представляет собой систему с объектом управления, датчиком уровня, ПИ - регулятором, пусковым устройством и исполнительным механизмом, который выполнен в одном корпусе с регулирующим клапаном на линии питательной воды.

Передаточная функция объекта управления:

;

Где:

Передаточная функция датчика представляет собой инерционное звено первого порядка:



Передаточная функция ПИ - регулятора:

Передаточная функция исполнительного механизма:

Рисунок.16. Алгоритмическая схема

Для упрощения алгоритмической схемы пренебрежем Т_Д, Т_ИМ так как они обладают незначительной инерционностью, а К_ИМ и К_Д равные 1.

Алгоритмическая схема принимает следующий вид:

Рис.17. Алгоритмическая схема

1.12 Расчет устойчивости



Обозначим:



Необходимые условия устойчивости:



Достаточные условия устойчивости:

К_П<14.88

К_И<(1+2.88*Кп)/72

К_И1<(207,36*Кп^2-372-999.36*Кп)/(5184*Кп-51768)

Кп	Ки1	Ки2
1	0,05388	0,0249
2	0,09388	0,0372
3	0,13388	0,0415
4	0,17388	0,0338
5	0,21388	0,0071
6	0,25388	-0,0530
7	0,29388	-0,1804
8	0,33388	-0,4763
9	0,37388	-1,4534
10	0,41388	144,033
11	0,45388	2,6114
12	0,49388	1,6758
13	0,53388	1,3876
14	0,57388	1,2629

Рисунок.18 Область устойчивости

Желтым цветом на графике показана область устойчивости.

1.13 Расчет статической ошибки

Передаточная функция ошибки по отношению к задающему воздействию:

Передаточная функция ошибки по отношению к возмущающему воздействию:



1.14 Моделирование системы управления

В программном обеспечении MATLAB для получения графиков переходных процессов по заданию и возмущению по структурно-алгоритмической схеме собираем математическую модель автоматической системы регулирования уровня в барабане (Используя библиотеку блоков - SIMULINK), изображенную на рисунке 19.



Рисунок.19 Математическая модель системы, построенная в программе Matlab

На рисунке 20 представлен переходный процесс по заданию смоделированный в MATLAB. Как видно, из переходного процесса статическая ошибка равна 0, перерегулирование менее 20%, время запаздывания 25с.

Рисунок.20. Переходный процесс по заданию

С помощью PID Tuner были получены оптимальные настройки ПИ-регулятора. Рисунок 21.



Рисунок.21. PID Tuner.

Оптимальные настройки ПИ-регулятора показаны на Рисунке 22.

Рисунок.22. Параметры ПИ-регулятора.



Переходный процесс по возмущению.

При подачи возмущающего воздействия, уровень в барабане котла поднимается и быстро заходит в зону статической ошибки, что видно из рисунка 23. Качество регулирования удовлетворяет заданному.

Рисунок 23.

После проведенных действий видим, что при изменении задания система ведёт себя идеально, т.е. не выходит за рамки заданного перерегулирования, статическая ошибка равна нулю, так что можно сделать вывод, что смоделированная система идеально подходит для регулирования данного процесса.

Выбор настроек регулятора для переходного процесса с минимальным временем регулирования и 5% перерегулированием.

Выбор настроек регулятора производился следующим образом:

1. В качестве начальных коэффициентов выбирались коэффициенты из области устойчивости, построенной по результатам расчёта устойчивости.

2. Полученный в МАТЛАВ процесс анализировался и подбирались наилучшие коэффициенты из области устойчивости.

3. Далее с помощью блока PID Controller в МАТЛАВе проводилась оптимизация параметров регулятора по заданному перерегулированию и времени регулирования. Были получены коэффициенты после оптимизации и давалась характеристика полученного переходного процесса. Полученные коэффициенты полностью удовлетворяют заданному качеству регулирования.

1.15 Щит автоматики

На рисунке 23 показан внешний вид щита автоматики, необходимого для дистанционного управления уровнем в барабане котла ТП - 80. Габаритные разметы щита 800х600мм.

Рисунок.24.Щит автоматики

Перечень элементов

Позиция	Наименование	Кол - во	Примечание
1	Лампы сигнализации РЦН - 220 - 10	1	Включение питания. Зеленая с подсветкой
2		1	Желтая с подсветкой
3		1	Красная с подсветкой
4	Показывающий прибор ИРТ 53 - 22	1
5	Блок управления исполнительным механизмом БУ - 21	1	Управление процессом
6	Пакетный выключатель	1	Включение питания
7	Кнопка управления 3SB3110	1	Переключение на ручное управление
01	Пуск системы
02	Включение машины в автоматическом режиме
03	Включение машины в ручном режиме

1.16 Схема внешних соединений

На рисунке 25 изображена схема внешних соединений датчиков по уровню, расходу воды и расходу пара (Метран - 22ДД) и исполнительного механизма МЭО - 1600/63 - 0.25 с щитом автоматики.

Рисунок.25. Схема внешних соединений

1.17 Рекомендации по монтажу

Монтаж программируемого логического контроллера ОВЕН ПЛК 160:

Подготовить место в шкафу электрооборудования. Конструкция шкафа должна обеспечивать защиту контроллера от попадания в него влаги, грязи и посторонних предметов.

Укрепить контроллер на DIN-рейку защелкой вниз. При размещении контроллера следует помнить, что при эксплуатации открытые контакты клемм находятся под напряжением, опасным для человеческой жизни. Доступ внутрь таких шкафов разрешен только квалифицированным специалистам.

Монтаж внешних связей:

Питание контроллера ПЛК 160-220 следует осуществлять от сетевого фидера, несвязанного непосредственно с питанием мощного силового оборудования. Во внешней цепи рекомендуется установить выключатель, обеспечивающий отключение контроллера от сети. Питание каких-либо устройств от сетевых контактов контроллера запрещается.

Питание контроллера ПЛК 160-24В следует осуществлять от распределенной питающей сети 24В или от локального блока питания подходящей мощности, установленного совместно с контроллером в шкафу электрооборудования. При питании от распределенной сети 24В требуется устанавливать перед контроллером сетевой фильтр, подавляющий помехи, например, ОВЕН БСФ.

Подключение интерфейса RS-485 выполняется по двухпроводной схеме. Подключение производить при отключенном напряжении питания всех устройств сети RS-485. Длина линии связи должна быть не более 1000 метров. Подключение следует осуществлять витой парой проводов, соблюдая полярность. Провод А подключается к выводу А контроллера, аналогично соединяются выводы В. Подключение производить при отключенном питании всех устройств в линии RS-485. Подключить интерфейс Ethernet 8-ми жильным кабелем «витая пара» категории 5. На кабель установить оконечные разъемы без экрана. Ответную часть кабеля подключить к Ethernet-концентратору, к сетевой плате компьютера или к иному оборудованию. При подключении к концентратору используется обычный (прямой) кабель, при подключении к сетевой плате или к иному оборудованию используется кабель Up-Link (кабель с перекрестным монтажом первой и второй пар).

Подключение кабеля программирования, входящего в комплект поставки, осуществляется через порт Debug RS-232, в гнездо, расположенное на лицевой панели контроллера. Ответную часть кабеля вставить в СОМ-порт компьютера. В случае необходимости подключения к порту Debug RS-232 иных устройств, имеющих выходной интерфейс RS-232, необходимо самостоятельно изготовить кабель подключения.

Подключение кабеля программирования осуществляется при отключенном питании ПЛК и персонального компьютера. Если данное условие по каким-либо причинам не может быть выполнено, то необходимо отключить питание хотя бы одного из этих устройств. Если же отключение питания ПЛК и компьютера невозможно, то рекомендуется следующий порядок подключения кабеля:

- в первую очередь кабель подключается к ПЛК с помощью разъема на передней панели;

- затем кабель необходимо подключить к СOM-порту компьютера; предварительно для выравнивания электрических потенциалов ПЛК и компьютера следует коснуться металлической частью разъема кабеля металлического корпуса COM-порта компьютера.

Невыполнение этих требований может привести к повреждению COM-порта компьютера.

Подключаемые к ПЛК 160 датчики с унифицированным сигналом напряжения 0...10 В должны иметь встроенный ограничитель выходного тока, позволяющий получить максимальное значение тока не более 20 мА. Следует иметь в виду, что в технических характеристиках датчиков максимальное значение выходного тока может не указываться, но косвенно о значении тока можно судить по значению нагрузочного сопротивления датчика, которое должно составлять не менее 700 Ом.

Монтаж дифманометра Метран - 22ДД:

Датчики должны устанавливаться таким образом, чтобы подвод давления осуществлялся сверху или снизу.

В случае существенных вибраций стен в горизонтальном направлении, расположение датчика по отношению к стене должно быть таким образом, чтобы горизонтальное направление вибрации было перпендикулярно стене. То же относится и к несущим конструкциям, на которых устанавливается датчик. При выборе места установки необходимо учитывать следующее:

- датчики Метран-22 нельзя устанавливать во взрывоопасных помещениях;

- места установки датчиков должны обеспечивать удобные условия для обслуживания и демонтажа;

- температура и относительная влажность окружающего воздуха должны соответствовать рабочим значениям;

- среда, окружающая датчик, не должна содержать примесей, вызывающих коррозию его деталей;

- параметры вибрации не должны превышать рабочие значения;

- напряженность магнитных полей, вызванных внешними источниками постоянного тока или переменного тока частотой 50Гц, не должна превышать 400 А/м.

Точность измерения давления зависит от правильности установки датчика и соединительных трубок от места отбора давления до датчика. Соединительные трубки должны быть проложены по кратчайшему расстоянию отбор давления рекомендуется производить в местах, где скорость движения среды наименьшая, поток без завихрений, т.е. на прямолинейных участках трубопровода при максимальном расстоянии от запорных устройств, колен, компенсаторов и других гидравлических соединений.

Температура измеряемой среды в рабочей полости датчика не должна превышать допускаемой температуры окружающего воздуха.

Соединительные линии должны иметь односторонний уклон (не менее 1:10) от места сбора давления, вверх к датчику, если измеряемая среда - газ и вниз к датчику, если измеряемая среда - жидкость. Если это невозможно, при измерении давления или разности давлений газа в нижних точках соединительной линии следует устанавливать отстойные сосуды, а при измерении давления или разности давлений жидкости в наивысших точках газосборники.

Отстойные сосуды рекомендуется устанавливать перед датчиком и в других случаях, особенно при длинных соединительных линиях и при расположении датчика ниже места отбора давления.

Для продувки соединительных линий должны предусматриваться самостоятельные устройства.

В соединительные линии от места отбора давления к датчику давления рекомендуется устанавливать два вентиля или трехходовой кран для отключения датчика от линии и соединения его с атмосферой. Этот упростит периодический контроль установки выходного сигнала, соответствующего нулевому значению измеряемого параметра, и демонтаж датчика.

В соединительных линиях от сужающего устройства к датчику разности давлений рекомендуется устанавливать на каждой из линий вентиль для соединения линии с атмосферой и вентиль для отключения датчика.

Присоединение датчика к соединительной линии осуществляется с помощью предварительно приваренного к трубке линии ниппеля или с помощью монтажного фланца.

Перед присоединением к датчику линии должны быть тщательно продуты для уменьшения возможности загрязнения камер измерительного блока датчика.

При монтаже недопустимо попадание жиров и масел в полсти датчика. В случае их попадания необходимо произвести обезжиривание датчика и соединительной линии.

Источник питания, используемый для питания датчиков в эксплуатационных условиях, должен удовлетворять следующим требованиям:

- сопротивление изоляции не менее 20 МОм;

- выдерживать испытательное напряжение при проверке электрической прочности изоляции 1,5 кВ;

- пульсация (двойная амплитуда) выходного напряжения не должна превышать 0,5 % от номинального значения выходного напряжения при частоте гармонических составляющих, не превышающей 500 Гц;

- прерывание питания не более 20 мс;

- изменение напряжения питания на ±25% на время не более 100 мс.

Монтаж исполнительного механизма типа МЭО-1600/63-0.25:

В процессе технического обслуживания механизмов должны выполняться меры безопасности:

При эксплуатации механизмов должно поддерживаться их работоспособное состояние. В процессе эксплуатации механизмы должны подвергаться систематическому внешнему осмотру, а также профилактическому осмотру. Периодичность профилактических осмотров механизмов устанавливается в зависимости от производственных условий, но не реже чем через год, а блока сигнализации положения не реже 1 раза в 6 месяцев.

При внешнем осмотре необходимо проверять:

-Целостность корпусов редуктора, двигателя, крышек, вводных устройств, двигателя и блока сигнализации положения, отсутствие на них вмятин, коррозии и других повреждений;

-Наличие всех крепящих деталей и их элементов. Крепежные болты и гайки должны быть равномерно затянуты;

-Состояние заземления. Заземляющие зажимы должны быть затянуты, на них не должно быть ржавчины. В случае необходимости зажим очистить и смазать консервационной смазкой.

Во время профилактических осмотров необходимо производить следующие работы:

- Очистить наружные поверхности механизмов от грязи и пыли;

- Проверить затяжку всех крепежных болтов, болты должны быть равномерно затянуты;

- Проверить состояние заземляющего устройства, в случае необходимости (при наличии ржавчины) заземляющие элементы должны быть очищены и после затяжки болта заземления вновь покрыты консистентной смазкой;

- Проверить настройку блока сигнализации положения, в случае необходимости произвести его под регулировку.

Приступить к работе с механизмом необходимо только после изучения данного руководства по эксплуатации. Эксплуатация механизмов с поврежденными деталями и другими неисправностями запрещается.