Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

Московский Государственный Технический Университет

«МАМИ»

Факультет "Автоматизация и управление"

Кафедра "Автоматика и процессы управления"

отчет

по выполнению курсового проекта по дисциплине

«Технические средства автоматизации и управления»

на тему: «Синтез и моделирование промышленной системы автоматического управления»

Выполнил: Емельянов Ю.А. Группа: 7 - УИ - 5

Руководитель: Журомский В.В.

МОСКВА, 2010

Оглавление

управление датчик автоматический регулятор

Техническое задание

1. Идентификация объекта управления

1.1 Изменение уровня жидкости

1.2 Нелинейное дифференциальное уравнение объекта управления

1.3 Линеаризованное дифференциальное уравнение объекта управления

1.4 Параметры передаточной функции объекта управлении

2. Система управления

2.1 Расчет коэффициента передачи регулирующего органа поступающего расхода

2.2 Оценка коэффициента передачи датчика уровня

2.3 ЛАФЧХ неизменяемой части системы

2.4 Выбор регулирующего органа совместно с исполнительным механизмом для поступающего расхода

2.5 Выбор регулирующего органа совместно с исполнительным механизмом для отходящего расхода

2.6 Основные характеристики запорно-регулирующего клапана с электрическим исполнительным механизмом

2.7 Опросный лист предприятия - производителя запорно-регулирующего клапана

3. Выбор датчика уровня

3.1 Опросный лист для выбора гидростатического датчика давления

4. Выбор автоматического регулятора

4.1 Назначение регулятора

4.2 Технические характеристики регулятора

4.3 Основные настроечные параметры регулятора

4.4 Схема подключения регулятора к датчику уровня

5. Выбор усилителя мощности и источника питания регулятора

6. Синтез САУ

7. Моделирование системы управления в среде МАТЛАБ (Simulink)

8. Основные выводы

Литература

Техническое задание

Разработать промышленную систему автоматического управления (рис. 1) уровня жидкости h в напорной емкости, обеспечивающей:

- время регулирования t_р, равное значению динамической константы объекта управления;

-астатизм первого порядка по каналам управления и возмущающего воздействия. (статическая ошибка _ст=0 при скачкообразных изменениях задания или возмущающего воздействия);

- монотонность переходной функции по каналу управления (_max =0);

Метод синтеза - на основе логарифмических амплитудно-фазовых частотных характеристик (ЛАФЧХ).

САУ реализовать на основе современных общепромышленных средствах КИП и А Государственной Системы Приборов (ГСП).

Результаты синтеза САУ подтвердить моделированием в среде Simulink (МАТLAB).

Объект управления - бак напорный

Функциональная схема системы автоматического регулирования уровня:

1. Идентификация объекта управления

Для данной системы уровень h жидкости (воды) в напорном баке является регулируемой величиной, а расход Q_п - регулирующим воздействием.

Возмущающими воздействиями являются изменения перепада давления на клапане поступающего расхода, изменения отходящего расхода.

Задача управления состоит в стабилизации h=h_зад. при наличии возмущающих воздействий по каналу поступающего и отходящего расходов.

Проектирование системы автоматического управления технологическим процессом начинается с идентификации процесса как объекта управления, т.е. отождествления технологического процесса математической моделью для целей управления.

1.1 Изменение уровня жидкости

Соотношение между подводимым в емкость потоком Q_п жидкости и отводимым из нее потоком Q_о и уровнем h жидкости в ней аналогично соотношению между этими потоками и запасом вещества. Дифференциальное уравнение

является уравнением кинематики, описывающим увеличение или уменьшение «запаса» жидкости.

При выводе динамических соотношений между давлением, потоками и уровнем жидкости необходимо учитывать законы сохранения массы, количества движения и энергии, а также условия сплошности.

1.2 Нелинейное дифференциальное уравнение объекта управления

При отсутствии внешнего, давления жидкость вытекает из бака только под действием собственного веса. Для этого случая уравнение Бернулли имеет вид:

где Р -- давление внутри жидкости, кПа;

с -- плотность жидкости, кг/м³.

Отсюда расход жидкости, вытекающей под действием силы тяжести из сопла или отверстия в баке, будет равен:

где м -- коэффициент расхода.

Выразим зависимость уровня жидкости от подводимого потока в виде:

Из этого уравнения видно, что при скачкообразном возрастании расхода Q_П(t) подводимой жидкости должен повышаться уровень h(t) жидкости в баке. Но одновременно вследствие повышения уровня возрастает также и отводимый поток Q_О(t) и наблюдается эффект саморегулирования. Таким образом, при регулировании уровня жидкости сила тяжести играет роль отрицательной обратной связи. Закон саморегулирования является нелинейным ввиду наличия члена . При малых изменениях уровня и расхода жидкости, например, при , динамические свойства большинства систем, в которых происходит изменение уровней и потоков жидкости, с достаточной точностью описываются линейными дифференциальными уравнениями.

1.3 Линеаризованное дифференциальное уравнение объекта управления

Проведем линеаризацию дифференциального уравнения

(где А- площадь бака) в окрестности номинального режима, т.е.предполагая, что отклонения уровня и расходов от номинальных значений не более 10%, путем замены нелинейной функции

линеаризованной в окрестности номинального режима:



- нелинейная функция

- функция, линеаризованная в окрестности номинального режима

Тогда

В номинальном установившемся режиме:

Выполним преобразование Лапласа:

Или

Умножив числитель и знаменатель на получаем:



где - постоянная времени объекта управления:

- коэффициент передачи объекта управления:

Передаточная функция объекта управления, связывающая поступающий расход и уровень жидкости в окрестности номинального режима объекта управления имеет вид:

Постоянная времени T характеризует инерционные свойства объекта управления и прямо пропорциональна площади A поперечного сечения бака и обратно пропорциональна номинальному значению поступающего расхода.

Переходная функция, соответствующая передаточной функции имеет вид:

Переходная функция есть отклонение от состояния объекта управления в номинальном режиме



Линеаризованная переходная функция в окрестности номинального режима объекта имеет вид:

1.4 Параметры передаточной функции объекта управления

Имеем :

= 2,5 [м] - номинальный режим по уровню воды.

Q_п0 = 500 [л/час] - номинальное значение поступающего расхода при .

d = 0,5 [м] - диаметр напорного бака.

Номинальный поступающий расход:

Коэффициент передачи К:

Постоянная времени Т:



Где - площадь поперечного сечения бака.

Тогда

Передаточная функция системы будет иметь вид:

2. Система управления

Исходная структурная схема системы автоматического управления:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Где: - коэффициент передачи регулирующего органа /РО/ поступающего расхода Q_n0

задание системы автоматического управления на регулирование заданного значения уровня , выраженное в терминах пропорционального уровню унифицированного ((4-20) ) входного сигнала автоматического регулятора;

- выходное для системы значение уровня , выраженное в терминах пропорционального уровню унифицированного ((4-20) ) выходного сигнала датчика уровня;

- коэффициент передачи датчика уровня h;

- передаточная функция автоматического регулятора.

Оценим значения K_р.о. и K_д.

2.1 Расчет коэффициента передачи регулирующего органа поступающего расхода

Расчет коэффициента усиления регулирующего органа K_р.о:

где - приращение номинального поступающего расхода

- приращение степени открытия клапана (в процентах).

Строим зависимость поступающего потока от степени открытия клапана:

Размещено на http://www.allbest.ru/

2.2 Оценка коэффициента передачи датчика уровня

Коэффициент передачи датчика уровня определяется как отношения приращения выходного параметра датчика уровня к входному параметру как

Максимальная высота уровня жидкости, которую должен измерять датчик уровня, соответствует 6,3 [м], а изменение токового унифицированного выходного сигнала датчика уровня при изменении уровня в диапазоне (0-6,3) [m] соответствует = (4…20) . Тогда

Передаточная функция датчика уровня:

а структура системы управления принимает вид:

Отсюда следует структура:



2.3 ЛАФЧХ неизменяемой части системы

Рассмотрим логарифмические амплитудно-фазовые частотные характеристики разомкнутой системы с передаточной функцией:

ЛАФЧХ неизменяемой части САУ строятся приближенным методом, состоящим в том, что для звена с передаточной функцией в логарифмической сетке координат до частоты ЛАЧХ имеет вид прямой на уровне 20lgК=20lg0.25 -12дб - коэффициент передачи, а для частот, больших , ЛАЧХ имеет вид прямой линии с наклоном - 20дб/дек до сопрягающей частоты , (Т_ф=6,3с), где наклон ЛАЧХ изменяется дополнительно на -20дб/дек и составляет -40дб/дек.



2.4 Выбор регулирующего органа совместно с исполнительным механизмом для поступающего расхода

Произведем выбор регулирующего органа на основании ,

Где - условная пропускная способность.

Вычисление ведется по международному стандарту DIN EN 60534:

где Q - расход [м³/ч], с - плотность жидкостей [кг/м³], Дp - разность давлений [бар] перед клапаном (Р1[бар]) и за клапаном (Р2[бар]) по направлению потока.

Тогда для регулирующего органа расхода Q_п0 согласно исходным данным

Для возможности изменения расхода Q_п в процессе автоматического управления относительно его номинального значения Q_п0 максимальное значение Q_п принимаем в 2 раза больше номинального. Следовательно:

Выбираем запорно-регулирующий клапан односедельный фланцевый клапан типа «25с947нж» с DN = 25, K_v = 1,6 в комплекте с электрическим исполнительным механизмом постоянной скорости (ЭИМ).

Выбор датчика степени открытия регулирующего органа.

Выбираем тип датчика степени перемещения штока (степени открытия регулирующего органа в диапазоне (0-100)%) - в виде реостатного датчика с сопротивлением R=100 Ом.

Для индикации степени открытия регулирующего органа будем использовать Дистанционный Указатель Положения (ДУП), в частности ДУП-М, в котором совместно с реостатным датчиком степени открытия регулирующего органа организована мостовая схема, в диагонали которого установлен стрелочный индикатор с органами настройки показаний ДУП (О…100)% при мин/макс состояниях штока регулирующего органа.

Схема электрическая принципиальная ДУП-М:



Технические данные:

· Электрическое питание ДУП-М - однофазная сеть переменного тока с номинальным напряжением 220V или 240V с частотой (50)Hz или (60)Hz.

· Допустимое отклонение напряжения питания от номинального от 15 до плюс 10%.

· Пределы регулирования начального (0%) и конечного (100%) положений стрелки указателя не менее половины шкалы для обоих положений.

· Мощность, потребляемая указателем, не более 5 ВА.

· Масса указателя не более 0,6 кг.

· Срок службы указателя - не менее 6 лет

Производитель - «Завод Электроники и Механики» (ОАО «ЗЭиМ»).

2.5 Выбор регулирующего органа совместно с исполнительным механизмом для отходящего расхода

Перепад давления на РО отходящего расхода определяется давлением высоты столба жидкости на уровне позиции РО. В данном случае максимальное значение уровня жидкости (воды) составляет =10[м]. Следовательно, перепад давления на клапане =0.98 [бар]

Рассчитаем величину условной пропускной способности для регулирующего органа расхода Q₀ в установившемся режиме Q_по=Q_o согласно стандарту DIN EN 60534:

Расход Q₀ принимаем в 2 раза больше номинального, поэтому выбираем клапан с K_v=1.01

Выбираем запорно-регулирующий клапан односедельный фланцевый клапан типа «25с947нж» с DN = 25 мм, K_v = 1,6 в комплекте с электрическим исполнительным механизмом постоянной скорости с параметром времени хода ЭИМ Т_х = 80с.

Выбираем тип датчика степени перемещения штока т.е - степени открытия регулирующего органа ( в диапазоне (0-100)% - в виде реостатного датчика с сопротивлением R=100ом).

Степень открытия РО также будем индицировать при помощи ДУП-М

2.6 Основные характеристики запорно-регулирующего клапана с электрическим исполнительным механизмом (ЭИМ) 25с947нж

Назначение:

Клапан типа 25с947нж предназначен для использования на центральных и индивидуальных тепловых пунктах (ЦТП и ИТП), вентиляционных системах тепличных хозяйств и в других областях народного хозяйства с целью непрерывного регулирования расхода и других параметров рабочей среды, так и в качестве запорного устройства.



Регулирующий орган с исполнительным механизмом постоянной скорости типа 25с947нж:

1. Корпус

2. Крышка

3. Плунжер

4. ЭИМ

5. Комплект монтажных частей

Достоинства:

* Клапан «25с947нж» является регулирующим и запорным органом одновременно, что исключает необходимость установки запорных устройств до и после регулирующей арматуры в технологических линиях.

* Клапаны выпускаются с линейной и равнопроцентной пропускной характеристикой.

Материалы основных деталей:

Технические характеристики:

Габаритные и присоединительные размеры:

Клапаны с ЭИМ поставляются с резистивным датчиком положения 1Х100 ОМ. Возможна поставка клапанов с ЭИМ с токовым датчиком положения (0-20, 4-20 и т.д. мА), с двойным резистивным датчиком положения 2Х100 Ом и т.д.

Гарантии

Гарантийный срок эксплуатации - 12 месяцев со дня ввода в эксплуатацию. Срок консервации - 3 года. Срок службы - не менее 10 лет. Наработка на отказ - 8000 часов.

2.7 Опросный лист предприятия - производителя, сопровождающий финансовые документы в процессе приобретения изделия

Опросный лист фирмы . сопровождающий заказную ведомость в процедуре приобретения изделия ОПРОСНЫЙ ЛИСТ на регулирующие, запорно-регулирующие и отсечные клапаны, задвижки	ОАО «АРМАГУС» Россия, 601501, Владимирская обл., г. Гусь-Хрустальный, ул. Рудницкой, 4 Тел: (49241) 289-40 E-mail: sales@armagus.ru www.armagus.ru
Заказчик:	Организация	МГТУ «МАМИ»
	Должность	Инженер
	Тел/факс	(495)223-05-23
Тип изделия: регулирующий ? отсечной ? запорно-регулирующий v запорный ?
Наименование позиции	25с947нж - 1-050-10,0л - ST - я
Количество	2 шт. (два)
Диаметр условный, Dy мм	25
Давление условное, Py кгс/смІ	1
Рабочая среда	Состав: вода
	Наличие в среде абразивных частиц (количество и размер)
	Агрегатное состояние	Жидкость v Газ ? Пар ?
		макс.	Норм.	мин.
	Расход	2	1	0
	Входное давление, Р1 кгс/смІ	1	1	1
	Выходное давление, Р2 кгс/смІ	0	0	0
	Температура на входе, Т1	20°	15°	10°
	Плотность на входе, с1	1000	1000	1000
	Вязкость в рабочих условиях
Расчёты	Kv по расчёту мі/ч	1
	Выбранное значение, Kvy мі/ч	1,6
	Пропускная характеристика	линейная v равнопроцентная ?
Корпус клапана	Материал корпуса	25Лv12Х18Н9ТЛ? 12Х18Н12М3ТЛ?
	Присоединение к трубопроводу	фланцевое vпод приварку ?
	Исполнение фланцев
Затвор	Герметичность в затворе	да
	Направление подачи среды	одностороннее v любое ?
Привод	Тип привода	Пневм. ? Электр.(ЭИМ) v
	Тип ЭИМ	ST
	Управление ЭИМ	Реостатный ?? Ёмкостный Токовый v
	Управляющий сигнал	4…20 мА
	Скорость управления мм/мин	80
	Питание привода	2,5кгс/кв.см V 50 Hz
	Положение при отсутствии питания	Открыт (НО) ? закрыт (НЗ) v
Дополнительное оборудование	Позиционер	Пневматич. ? Электропневматич. v
	Марка позиционера	ПП-1 ? ЭПП-1 ? ЭПП-1-Ех ? Siemens v Иной ?
	Конечные выключатели КВД (для МИМ)	Да ?Нет v
	Фильтр-стабилизатор ФСДВ или	Да ?Нет v
	Редуктор давления с фильтром РДФ	Да ?Нет v
	Ручной дублер	Да ?Нет v
	Ответные фланцы	Да ?Нет v
	Материал ответных фланцев	нет
	Защита электрооборудования	II BT4 ?II BT6v
Установка	Положение трубопровода	Горизонтальное v Вертикальное ?
	Материал трубопровода	сталь
	Размер трубопровода, DN мм	25
	Окружающая температура	Мин. -25Макс. +50
	Наличие агрессивных примесей в воздухе	нет
Дополнительная информация:
Если замена, то взамен какого клапана устанавливается

3. Выбор датчика уровня

Выбираем датчик уровня фирмы МЕТРАН-100, основанный на измерении гидростатического давления жидкости на дно напорного бака. При максимальном уровне жидкости (воды) в объекте высотой 6,3 метров гидростатическое давление равно 63 кПа.

Выбор датчика осуществляем по каталогу фирмы производителя ОАО «МЕТРАН» для гидростатических датчиков уровня типа «Метран 100-ДГ»

Модель Метран 100-ДГ	Ряд верхних пределов измерений	P изб, МПа
1532, 1532+	40; 25; 16; 10; 6.3; 4 кПа	6
1533	40; 25; 16; 10; 6.3; 4 кПа	0.25
1541	250; 160; 100; 63; 40; 25 кПа	0.4
1542, 1542+	250; 160; 100; 63; 40; 25 кПа	10

Требованиям Технического Задания на проектирование соответствует датчик типа «Метран 100-ДГ», модель №1541 с верхним пределом измерения 63 кПа.

Схема установки датчика «Метран 100-ДГ 1541 при изменении гидростатического давления в открытом резервуаре:

Принцип действия датчика:

Принцип действия датчиков основан на использовании пьезорезистивного эффекта в гетероэпитаксиальной пленке кремния, выращенной на поверхности монокристаллической пластины из искусственного сапфира. Чувствительный элемент с монокристаллической структурой кремния на сапфире является основой всех сенсорных блоков датчиков семейства "Метран".

При деформации чувствительного элемента под воздействием входной измеряемой величины (например, давления или разности давлений) изменяется электрическоесопротивлениекремниевых

пьезорезисторов мостовой схемы на поверхности этого чувствительного элемента.

Электронное устройство датчика преобразует электрический сигнал от тензопреобразователя в стандартный аналоговый сигнал постоянного тока и/или в цифровой сигнал в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS485.

В памяти сенсорного блока (АЦП) хранятся в цифровом формате результаты калибровки сенсора во всем рабочем диапазоне давлений и температур. Эти данные используются микропроцессором для расчета коэффициентов коррекции выходного сигнала при работе датчика.

Цифровой сигнал с платы АЦП сенсорного блока вместе с коэффициентами коррекции поступает на вход электронного преобразователя, микроконтроллер которого производит коррекцию и линеаризацию характеристики сенсорного блока, вычисляет скорректированное значение выходного сигнала датчика и далее:

- для датчиков с кодами МП, МП1, МП2, МП3 передает его в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует его в аналоговый выходной сигнал или цифровой в стандарте HART (коды МП2, МП3);

- для датчиков с кодами МП4, МП5 при помощи драйвера RS485 по запросу выдает значения давления (в заданном формате) в цифровую линию связи.

Для лучшего обзора жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и для удобного доступа к двум отделениям электронного преобразователя последний может быть повернут относительно измерительного блока от установленного положения на угол не более 90° против часовой стрелки.

С помощью управляющих HART-устройств осуществляется настройка датчика и сенсора, конфигурирование, калибровка, тестирование, считывание информации о переменных процесса, текущем диапазоне измерений, ВПИ и НПИ в текущих единицах измерения и др.

При тестировании проводится оперативная проверка состояния:

- микропроцессора;

- ПЗУ на плате АЦП;

- перепрограммируемой памяти микропроцессора;

- текущего режима работы датчика;

- связи с платой АЦП;

- сенсора.

Возможна установка режима защиты записи, полностью запрещающая любое изменение параметров датчика, изменение режима защиты записи может быть дополнительно защищено паролем.

Работа с датчиком по цифровому каналу осуществляется через портативный ручной HART-коммуникатор или персональный компьютер, оснащенный HART-модемом.

HART-протокол допускает в системе наличие двух управляющих устройств (например, компьютер оператора и ручной коммуникатор).

Выбираем датчик с условным кодом МП2 с цифровым унифицированным сигналом 4-20 мА на базе HART-протокола.

Работа с датчиком Метран-100 с кодом МП2 осуществляется по цифровому каналу связи с помощью управляющих устройств, поддерживающих HART-протокол, и конфигурационных программ. Кнопочные переключатели отсутствуют.

Сервисные преимущества датчиков с поддержкой HART-протокола:

* Удобство обслуживания датчиков в условиях эксплуатации.

* Сокращение затрат при монтаже.

* Экономия времени на процедурах настройки и калибровки при вводе в эксплуатацию.

* Экономия затрат и времени на:

- техническое обслуживание датчиков за счет оперативного нахождения неисправностей;

- сокращение количества выходов к месту установки датчиков для их проверки за счет удаленной диагностики и конфигурирования;

- проведение периодических поверок (отсутствие необходимости таких поверок в течение 3 лет);

- проведение ремонтов (расширен срок гарантийных обязательств поставщика до 3 лет).

Возможность замещения импортных датчиков аналогичного назначения.

Энергопотребление

Электрическое питание датчиков Метран-100 осуществляется от источников постоянного тока напряжением указанным в таблице:

Параметр	МП2
Выходной сигнал	4-20 мА c HART
Напряжение питания,В	12-42

- сопротивление изоляции не менее 20 МОм;

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

- пульсация выходного напряжения не превышает 0,5% от номинального значения Uвых при частоте гармонических составляющих >500 Гц;

- прерывание питания не более 20 мс.

Пределы допускаемого нагрузочного сопротивления (сопротивление приборов и линии связи) зависят от установленного напряжения питания датчика и не должны выходить за пределы рабочей зоны:

Выходной сигнал датчика:

R_min=250 Ом

Для датчиков с подключенным блоком фильтра помех (БФП), Rmax уменьшается на 20 Ом.

Схема внешних электрических соединений:

БП - источник питания постоянного тока (Метран-602, -604 или другие аналогичные);

БП-Ех - то же, взрывозащищенного исполнения;

К - коммуникатор (Метран-650, НС375 и другие аналогичные);

К-Ех - для исполнения "Ех" (Метран-650-Ех и другие аналогичные);

ПК - персональный компьютер;

Rн - сопротивление нагрузки или суммарное сопротивление всех нагрузок в системе управления (определяется параметрами барьера - в схемах с барьером искрозащиты или параметрами блока питания - см. табл. 8);

X - клеммная колодка или разъем.

HART-коммуникатор исполнения "Ех" и HART-модем исполнения "Ех" могут быть подключены к любой точке цепи, включая взрывоопасную зону, максимальное количество подключаемых датчиков - 15.

Рекомендуемый кабель для связи типа «витая пара» с волновым сопротивлением 120 Ом:

Rc - согласующий резистор с сопротивлением, совпадающим с волновым сопротивлением применяемого кабеля.

Согласующие резисторы подключаются к линии связи в наиболее удаленных точках. Допускается совместная прокладка в одном кабеле проводов цепей питания датчика и линии связи.

Допускается питание нескольких датчиков от одного блока питания.

Взрывозащищенность:

Вид взрывозащиты "искробезопасная электрическая цепь" с уровнем взрывозащиты:

- "особовзрывобезопасный", маркировка по взрывозащите ExiaIICT5X;

- "взрывобезопасный", маркировка по взрывозащите ExibIICT5X;

Гарантии

Средний срок службы датчика - 12 лет, кроме датчиков, эксплуатируемых при измерении агрессивных сред, средний срок службы которых зависит от свойств агрессивной среды, условий эксплуатации и применяемых материалов.

Средняя наработка датчиков на отказ 150 000 ч.

Масса датчиков от 1,5 до 5,8 кг в зависимости от модели.

Гарантийные обязательства - в течение 36 месяцев со дня ввода в эксплуатацию.

3.1 Опросный лист для выбора гидростатического датчика давления

Предприятие:
Адрес:
Контактное лицо: МГТУ «МАМИ»
Телефон, факс: (495)223-05-23
ПАРАМЕТР
Количество	1 (один)
Измеряемый параметр	избыточное давление абсолютное перепад давления разрежение давление-разрежение v гидростатическое давление
Измеряемая среда	Вода
Диапазон измерения давления	0…63 кПа
Требуемая погрешность измерения	025
Диапазон окружающих температур°C	-20…+25
Диапазон температур измеряемой среды°C	10°…20°
Статическое давление (для датчиков перепада и гидростатического давления)	0…63 кПа
Электронный преобразователь	v микропроцессорный
Выходной сигнал	4-20 мА 0-5 мА 0-20 мА v 4-20 мА с цифровым сигналом на базе HART-протокола c цифровым сигналом RS485 (для Метран-100) ( протокол обмена ICP протокол обмена Modbus)
Вид электрического разъема	сальниковый ввод для кабеля диаметром не более 10мм сальниковый ввод для кабеля диаметром 12 - 12,4мм сальниковый ввод для бронированного кабеля v штепсельный разъем ШР14 штепсельный разъем ШР22 разъем для Метран-100 с кодом МП4, МП5
Технологическое присоединение к процессу	М20х1,5 М16х1.5 К1/2 К1/4 1/2 -14NPT 1/4-18 NPT М80v Rd78 другое ______________	наружная резьба v внутренняя резьба
Вид взрывозащиты	искробезопасная цепь v (Exia) (Exib) взрывонепроницаемая оболочка (Ex d) общепромышленное исполнение
Принадлежности	встроенный индикатор выносной индикатор v блок фильтра помех (кроме Метран-22АС) вентильная система клапанный блок (n= установленный)
Монтаж датчика	V на плоской поверхности на трубе
Дополнительные требования	для работы на кислороде и кислородосодержащих смесях другое ________________________________________

4. Выбор автоматического регулятора

Выбираем микропроцессорный регулятор МИНИТЕРМ 400.00

4.1 Назначение регулятора

Регуляторы микропроцессорные МИНИТЕРМ 400.00 предназначены для регулирования давления, расхода, уровня и т.д. при работе с датчиками унифицированного сигнала постоянного тока: шесть входов для датчиков постоянного тока 0-5; 0(4)-20 мА; 0-50 мВ; 0-10 В

Функции:

МИНИТЕРМ 400.00 обеспечивает:

· ПИД, ПИ, ПД, П - регулирование с импульсным или аналоговым выходным сигналом, а также двухпозиционное регулирование;

· возможность формирования программного задания в виде произвольной кусочно-линейной функции времени с четырьмя участками произвольного наклона (имеются специализированные модификации с другим количеством участков); логическое управление программным задатчиком (стоп, пуск, сброс);

· возможность настраиваться автоматически на оптимальную динамику процессов регулирования перед включением в работу;

· в импульсном регуляторе - возможность использования аналогового выхода в качестве сигнала, линейно зависящего от регулируемого параметра (например, для вывода на самописец);

· защиту от обрыва цепи датчика (термопары, термометра сопротивления или датчика постоянного тока);

· сигнализацию верхнего и нижнего предельных отклонений регулируемого параметра от заданного значения;

· цифровую индикацию параметров в натуральных физических единицах или в процентах;

· диагностику отказов регулятора.

4.2 Технические характеристики ПИ-регулятора

· Напряжение - (24±6)В постоянного тока при амплитуде переменной составляющей от 0.4 до 1.5В;

· Потребляемая мощность - не более 3.6 Вт.

· Резервное питание для защиты от стирания параметров при отключении питания. Осуществляется батареей из двух сменных элементов СЦ-018 (1,55 В), либо литиевым элементом (3В).

· Выходы:

· Один аналоговый выход 0-10 В либо 0-5 мА постоянного тока по выбору для подключения внешнего регистратора (самописца) регулируемого параметра (для регулятора с импульсным выходом) или в качестве выходного сигнала регулятора (для регулятора с аналоговым выходом)

· Один импульсный выход по трехпроводной схеме для управления пусковым устройством исполнительного механизма (усилители мощности У300, У330, У330.Р2 или У24). - “сухой” транзисторный ключ (45В, 0.15А) либо сигнал 0, 24В постоянного тока.

· Два дискретных выхода для сигнализации верхнего и нижнего предельных отклонений регулируемого параметра от задания. Один дискретный выход для сигнализации отказа. Импульсные и дискретные выходы - "сухие" транзисторные ключи (48 В; 0,15 А).

· Тип интерфейса - RS232C

· Габаритные размеры (высота х ширина х глубина) - 48 х 96 х 160 мм.

· Масса - не более 0,6 кг.

· Подключение - штепсельный разъем СНП-101-25.

· Монтаж - щитовой утопленный.

Законы регулирования в МИНИТЕРМ-400 реализуются по 2-м каналам:

а) аналоговый вход аналоговый выход в виде стандартного унифицированного сигнала в пределах (4-20) мА. Тогда передаточная функция регулятора

где - коэффициент передачи;

- постоянная интегрирования.

В нашем случае:

б) аналоговый вход , а выходной переменной регулятора является линейное, преобразованное из вращательного движения выходного вала электродвигателя, перемещение выходного элемента ЭИМ, непосредственно воздействующего на степень открытия клапана регулирующего органа.

При этом интегрирующие свойства электродвигателя ЭИМ используются для формирования интегральной части закона ПИ-закона регулирования, а пропорциональность перемещения выходного элемента ЭИМ входному аналоговому сигналу регулятора обеспечивается управлением средней скоростью электродвигателя ЭИМ за счет Широтно- Импульсной Модуляцией (ШИМ).

В этом случае передаточная функция регулятора совместно с ЭИМ, выходной переменной которого является перемещение выходного элемента (штока) ЭИМ в диапазоне (0-100)% или степень открытия регулирующего органа в тех же терминах, а входной - величина рассогласования

,

Где - коэффициент передачи;

- постоянная интегрирования.

4.3 Основные настроечные параметры регулятора

Коэффициент передачи К_р= (- 99.9…..+99.9) [% / мА].

Постоянная интегрирования выбирается в пределах Т_и = (1-9999) [с].

Примем постоянную интегрирования регулятора равной постоянной времени Т объекта управления, т.е Т_и = 7069 с, при К_р =1.

Постоянная дифференцирования при ПИД - законе регулирования настраивается как отношение к постоянной интегрирования в пределах = (0- 0.25). Так как дифференциальная составляющая регулирования отсутствует в нашем случае, то =0.

Постоянная времени фильтра на входе регулятора настраивается в пределах

= (0-81) с. В нашем случае Т_ф=6,3с.

Регулятор является цифровым устройством с периодом квантования по времени Тк=0.7с.

4.4 Подключение регулятора к датчику уровня

Для подключения датчика с выходным сигналом 4-20мА используется заказной элемент типа ВП20М по схеме:

Для повышения точности желательно, чтобы длина линий, соединяющих устройства ВП20М с регулятором, не превышала 1-2м.

Функциональная схема регулятора:



5. Выбор усилителя мощности и источника питания регулятора

Регуляторы МИНИТЕРМ - 400 в силу малой мощности встроенных релейных устройств импульсного выхода ШИМ эксплуатируются совместно с усилителями мощности производства ОАО МЗТА.

Малая мощность электродвигателя (до 40 Вт) принятого исполнительного механизма позволяет выбрать усилитель мощности типа У330 Р2 М.

Назначение:

Тиристорный усилитель У330М трехпозиционный для управления синхронными и асинхронными электродвигателями исполнительных механизмов постоянной скорости. Осуществляет реверсивное управление однофазными электродвигателями мощностью не более 0,09 кВт. Обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных сигналов.

Функциональные возможности:

- Усиление входных сигналов для реверсивного управления однофазным асинхронным электродвигателем малой мощности.

- Защита системы регулирования от противоречивых команд управления.

- Наличие встроенного источника (24±6) В постоянного тока для питания регуляторов МИНИТЕРМ -400

Питание:

Напряжение - ~220V

Частота - (50±1), (60±2) Hz

Потребляемая мощность - не более 8 Вт

Конструктивное исполнение:

- Габаритные размеры - 190x60x165 мм

- Масса - не более 2 кг.

- Монтаж - навесной.



Входные сигналы:

- Назначение - замыкание клемм усилителя "сухими" ключами регулятора.

Выходные сигналы:

- Назначение - изменение состояния бесконтактных ключей.

- Коммутируемое напряжение до 250 В,

- Коммутируемый ток от 0,03 до 0,5 А.

- Изменение состояния контактов двух электромагнитных реле РП21, одно из которых имеет один замыкающий контакт, другое один переключающий контакт.

Источник напряжения:

- Встроенный источник питания - 24В

- Сопротивление нагрузки - 160 Ом.

Электрическая схема соединений усилителя У330Р2 М с регулятором МИНИТЕРМ 400 и общепромышленным исполнительным механизмом:



В схеме электропривода исполнительного механизма показаны концевые выключатели, ограничивающие перемещение выходного узла ЭИМ в пределах (0-100)%.

6. Синтез САУ

Если ЛАЧХ разомкнутой системы имеет в области существенных частот (секторе, отсекаемом линиями ±20 дб наклон -20 дб/дек), то:

1) Замкнутая САУ устойчива;

2) Переходная функция замкнутой САУ близка к монотонной;

3) Время регулирования .

Структура разомкнутой исходной системы с ПИ-регулятором:

Желаемая ЛАФЧХ (L_ж) простейшего вида разомкнутой САУ, которая бы в замкнутом виде удовлетворяла заданным показателям качества, должна иметь в окрестности существенных частот наклон ЛАЧХ, равный -20дб/дек, и пересечение с осью частот при частоте среза, равной:

Желаемая ЛАФЧХ разомкнутой системы имеет вид:



Передаточная функция ПИ-регулятора:

,

Вычислим коэффициент усиления ПИ-регулятора

- частота среза

^Отсюда

Строим ЛАФЧХ ПИ-регулятора при Ти=7069с, К_р=1

Постоянная интегрирования Т_и=7069 с, при К_р =1. Тогда ЛАЧХ разомкнутой САУ примет вид L₁=L_нч+L_пи, качественно соответствующий виду желаемой ЛАЧХ L_ж, но с меньшим коэффициентом усиления. Для совпадения ЛАЧХ проектируемой системы с L_ж необходимо увеличить коэффициент усиления разомкнутой системы на 20 дб, т.е в 10 раз. Следовательно, Кр=118. Настройки регулятора определены.



При расчетных настройках регулятора САУ устойчива, имеет переходную функцию, близкую к монотонной, время регулирования , статическая ошибка =0.

7. Моделирование системы управления в среде MatLAB (Simulink)

Структура САУ, подлежащая моделированию имеет вид:

В процессе моделирования определим реакцию системы на изменение задающего воздействия при нулевом возмущающем и наоборот - реакцию системы на возмущающее воздействие при неизменном задающем.

Построим модель системы в MatLAB (Simulink):

Исходное значение задающего воздействия системы при получении переходной характеристики системы по каналу управления соответствует величине h_з=2,5 [м].

Величина скачкообразного изменения задающего воздействия в блоке «Step» на одну единицу при коэффициенте передачи датчика уровня соответствует изменению задания в реальной системе на . При этом величина скачкообразного воздействия «Step 1» настраивается равной нулю.

Строим переходную функцию системы:

Единица по оси абсцисс соответствует изменению уровня на 1 от номинального значения h_з = 2,5 [м]

Максимальное время наблюдения

Время регулирования

Перерегулирование отсутствует

Статическая ошибка =0

Выводы:

1. Характеристики построены верно.

2. Частота среза обратно пропорциональна времени регулирования:



Теперь смоделируем отработку системой возмущающего воздействия f. Амплитуду выходного сигнала «Step» устанавливаем равной нулю, а возмущающее воздействие f, составляющее , будет соответствовать величине 10 единиц выходного сигнала «Step 1».

Строим переходную характеристику:

Максимальное отклонение от составляет =0.5 х 0.4 = 0.2 [м] Максимальное время наблюдения

Перерегулирование отсутствует.

Статическая ошибка =0

Вывод: после подачи возмущающего воздействия f система вернулась в исходное состояние

8. Основные выводы

Разработана промышленная система автоматического управления уровнем рабочей жидкости (воды) в напорном баке, удовлетворяющая Техническому Заданию на показатели качества работы системы:

§ переходная функция по каналу управления монотонна

§ система обеспечивает время регулирования ;

§ статическая ошибка отсутствует =0.

§ система имеет астатизм 1-го порядка относительно управляющего и возмущающего воздействий.

Результаты подтверждены моделированием в среде Simulink (МatLAB).

Система реализована на современных общепромышленных средствах КИП и А.

Представлены заказные ведомости на средства КИП и А, схемы монтажных соединений между блоками системы.

Список литературы

1. Методические указания по выполнению курсового проекта № 2179

2.Дж Фрайден. Современные датчики .Москва.: Техносфера 2006г.

3. Каталоги фирм -производителей средств измерения, воздействия на процесс и автоматического управления: ЗАО МЗТА; МЕТРАН- 100(РФ); ООО МАНОМЕТР (Москва), ООО ELEMER (Зеленоград); HONEYWELL; SIEMENS; COOL-PARMER; EMERSON; BARATRON; KAMMER; BRONKHORST-HIGH-TEC; MKS INSRUMENTS INC; SWAGELOK; SAMSON.

4. Справочные сведения в цифровой форме (200Мгб) по средствам измерения, воздействия на процесс и автоматического управления, подготовленные на основе каталогов перечисленных в Л.2 фирм - производителей. Предоставляются каждому студенту

5. Ч.Филипс, Р. Харбор. Системы управления с обратной связью. Москва.: Лаборатория Базовых Знаний. 2001.

6. Е. Никулин Основы теории автоматического управления. Частотные методы анализа и синтеза систем. СПб.: «БХВ-Петербург». 2004.

7. Дж.Дэбни, Т.Хартман. Simulink 4. Секреты мастерства. МОСКВА.: БИНОМ, Лаборатория знаний.,2003.

Размещено на Allbest.ru