Структура автоматизированной системы водогрейной котельной посёлка

Размещено на http: //www. allbest. ru/

АННОТАЦИЯ

В данной выпускной квалификационной работе (ВКР) осуществляется модернизация водогрейной котельной посёлка Майский, в частности осуществляется автоматизация системы контроля, а также разработка системы регулирования для поддержания температуры горячей воды водогрейного котла.

Выпускная квалификационная работа состоит из трёх разделов, содержащих необходимые расчёты для построения автоматизированной системы, а также графической части, в которой отражены основные структурные и принципиальные схемы.

СОДЕРЖАНИЕ

• АННОТАЦИЯ
• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ АВТОМАТИЗАЦИИ
• 1.1 Назначение и технические характеристики объекта исследования
• 1.2 Краткое описание состава водогрейной котельной
• 1.3 Постановка задач автоматизации
• 1.5 Выводы по разделу 1
• 2. ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
• 2.1 Структура автоматизированной системы и организация информационного обмена
• 2.2 Выбор оборудования для системы регулирования водогрейной котельной посёлка Майский
• 2.3 Назначение составных частей контроллера
• 2.4 Назначение исполнительного механизма
• 2.5 Программные средства системы контроля
• 2.6 Выводы по разделу 2
• 3. РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ
• 3.1 Основные задачи системы автоматического регулирования
• 3.2 Построение контуров регулирования
• 3.3 Технологическое программирование контроллера
• 3.4 Описание проектируемой схемы регулирования
• 3.5 Выбор закона регулирования, проектирование функциональной и структурной схем
• 3.6 Моделирование узла регулирования для поддержания температуры горячей воды в соответствии с температурным графиком с помощью программы «STRATUM»
• 3.7 Выводы по разделу 3
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
• ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития электроэнергетики система технического контроля энергоресурсов рассматривается как фундамент для создания автоматизированной системы управления технологических процессов (АСУ ТП) и автоматизированных систем управления (АСУ) котельных. Мировая практика показала, что наиболее рациональным решением проблемы создания такого фундамента является исключение из системы контроля устаревшего оборудования и замена его современными, высококачественными, высокопроизводительными системами с расширенными логическими и вычислительными возможностями нижнего уровня на базе микропроцессорной техники и ЭВМ последних поколений.

Стоит отметить, что в себестоимость продукции, выпускаемой подразделениями ОАО «Пермский свинокомплекс», в частности водогрейной котельной посёлка Майский (объекта автоматизации), входят затраты на использование электроэнергии и теплоэнергоресурсов.

В связи с этим, важной задачей является снижение удельного расхода условного топлива на единицу вырабатываемой энергии за счет автоматизации промышленной котельной установки. Для малых котельных автоматизация весьма существенна. По различным данным автоматизация повышает коэффициент полезного действия в среднем на 4-5 %.

Немаловажным фактором, влияющим на эффективность работы любого технологического оборудования и особенно теплотехнического, является надежность его контрольно-измерительных и управляющих средств.

Старое оборудование морально устарело. Ремонт его стал затруднителен из-за отсутствия запасных частей, а закупка морально устаревшего оборудования не целесообразна.

Для работы котлоагрегата используется разнообразное вспомогательное оборудование. В целях обеспечения нормальной работы котельной необходимо поддерживать в узких пределах параметры регулирования агрегатов и температуру, давление, расход воды, а также давление, расход газа. Все системы в обязательном порядке должны включать в себя автоматику безопасности.

Автоматическое регулирование является важнейшей функцией при построении любой эффективной автоматизированной системы управления на базе микропроцессорных программируемых контроллерах. По этой причине целью выпускной квалификационной работы является автоматизации водогрейной котельной посёлка Майский, направленная на снижение энергозатрат и оптимизацию работы водогрейного котла.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие взаимосвязанные задачи:

1. Провести аналитический обзор объекта исследования и осуществить постановку задач автоматизации.

2. Построить структуру автоматизированной системы управления котельной и осуществить выбор средств измерений для автоматизации водогрейного котла.

3. Разработать и провести моделирование системы автоматического регулирования водогрейного котла, а также разработать систему регулирования для поддержания температуры горячей воды.

Объектом автоматизации контроля и регулирования технологического процесса является водогрейная котельная посёлка Майский, принадлежащая ОАО «Пермскому свинокомплексу».

1. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ АВТОМАТИЗАЦИИ

Для непрерывного обеспечения горячей водой подразделений ОАО «Пермский свинокомплекс» в частности посёлка Майский установлена водогрейная котельная, которая снабжает теплом данный посёлок и цеха комплекса (СВК-1, СВК-2, племенная ферма, мясокомбинат, комбикормовый завод и т.д.) поэтому рассмотрим характеристики объекта исследования.

1.1 Назначение и технические характеристики объекта исследования

Водогрейный прямоточный котел типа КВ-ГМ-100 предназначен для установки котельной для покрытия пиков теплофикационной нагрузки, а так же в качестве основного или пикового источника теплоснабжения в районных отопительных котельных. Котел рассчитан на сжигание природного газа и высокосернистых мазутов.

Технико-экономические показатели котла указаны в таблице 1.

Таблица 1 Технико-экономические показатели котла

Наименование показателя	Значение
Теплопроизводительность, Гкал/ч	100
Рабочее давление, кгс/см2	10…25
Температура воды на выходе, 0С Пиковый режим, 0С Основной режим, 0С	150 110 70
Расход воды: - пиковый режим, т/ч - основной режим, т/ч	2460 1235
Коэффициент полезного действия, %	92,7

Конструкция котлов допускает работу как в основном режиме (температурный график 70-150 0С), так и в пиковом режиме (110-150 0С).

Котлы должны быть оборудованы автоматическими приборами, прекращающими подачу топлива в случаях: понижение давления воды в выходном коллекторе котла до значения, соответствующего давления насыщения при максимальной рабочей температуре воды на выходе из котла; повышение температуры воды на выходе из котла до величины на 20 0С ниже температуры насыщения, соответствующему рабочему давлению воды в выходном коллекторе котла; уменьшения расхода воды через котел, при котором нагрев воды до кипения на выходе из котла при максимальной нагрузке и рабочем давлении в выходном коллекторе достигает 20 0С [1].

1.2 Краткое описание состава водогрейной котельной

Котельный агрегат имеет П-образную компоновку. Топочная камера котла выполняется постоянной по ширине и высоте и изменяющейся в глубину котла, за счет изменения числа боковых блоков. Стены топочной камеры полностью экранированы трубами 60х3 мм с шагом 64 мм.

В топочной камере происходит сжигание топлива с преобразованием химической энергии в тепловую. Около половины тепла топлива воспринимается поверхностью нагрева, расположенной в топочной камере, где продукты сгорания охлаждаются до температуры 900-1100 0С (в зависимости от вида сжигаемого топлива). Затем продукты сгорания поступают в горизонтальный газоход, а затем в вертикальный. Котельный агрегат обслуживается вспомогательными механизмами и устройствами. К ним относятся: газорегуляторная станция, дымососы и дутьевые вентиляторы, сетевые насосы. Дутьевые вентиляторы применяются для подачи воздуха, необходимого в процессе сжигания топлива. Дымососы предназначены для удаления дымовых газов из котельной установки. Дымовые газы через газоходы, а затем через дымовую трубу удаляются в атмосферу. Для создания циркуляции в системе отопления и в водогрейном котле установлен сетевой насос. Для подпитки тепловой сети используется химически очищенная вода. Природная вода содержит механические и коллоидные примеси, растворенные соли и газы. Поэтому воду, предназначенную для подпитки, насосом сырой воды подают на подогреватель сырой воды, где она нагревается до температуры 18-20 °С. Затем подогретая вода поступает на механические фильтры, где очищается от механических примесей и на натрий - катионитовые фильтры, где удаляются соли жесткости. После химводоочистки осветленная, умягченная вода поступает на охладитель деаэрированной воды, подогреватель химочищенной воды, где нагревается до температуры 70-75 °С. После теплообменника вода поступает в вакуумный деаэратор для удаления кислорода, углекислого газа. Деаэрированная вода через охладитель деаэрированной воды поступает в бак деаэрированной воды откуда подпиточным насосом подается на всас сетевого насоса водогрейного котла.

Таблица 2 Состав оборудования котельной

Вид теплоэнергоносителя	Датчик расхода	Датчик давления	Датчик температуры	Прибор учета
Узел контроля технической воды
Техническая вода 1	ДМ-35	МЭД-22	-	КДС-2
Техническая вода 2	ДМ-35	МЭД-22	-	КДС-2
Узел контроля тепловой энергии на ГВС
Подача ГВС на предприятие	ДМ-35	МЭД-22	ТСП-5071	КСМ-2; КДС-2
Обратная ГВС с предприятия	ДМ-35	МЭД-22	ТСП-5071	КСМ-2; КДС-2
Узел контроля тепловой энергии
Подача в теплосеть	ДМ-35	МЭД-22	ТСП-5071	КСМ-2; КДС-2
Обратная из теплосети	ДМ-35	МЭД-22	ТСП-5071	КСМ-2; КДС-2
Узел контроля пара
Пар	ДМ-35	МЭД-22	ТСП-5071	КСМ-2; КДС-2

1.3 Постановка задач автоматизации

Рассмотрим существующую систему водогрейной котельной посёлка Майский. Оборудование физически и морально устарело, поэтому происходят постоянные поломки и отказы. Ремонт его стал затруднителен

из-за отсутствия запасных частей, а также устранение неполадок, восстановление и запуск в работу котлоагрегата занимает много времени. Закупка запасных частей морально устаревшего оборудования не целесообразна. По этой причине необходима модернизация котельной.

Предлагаемая система является контрольно-измерительной и предназначена:

- для автоматизации контроля параметров пара в подразделениях водогрейной котельной посёлка Майский ОАО «Пермский свинокомплекс»;

- для автоматизации контроля параметров теплоснабжения предприятия;

- для автоматизации контроля параметров горячего водоснабжения предприятия;

- для автоматизации контроля параметров технической воды;

- для визуализации измерительных и расчётных узлов контроля теплоэнергоресурсов;

- для ведения часовых, суточных и месячных архивов;

- для генерации отчетов по суточным и месячным архивам заданной формы.

Автоматизированная система создается для достижения следующих целей:

- оперативный контроль параметров энергоносителей;

- предоставление полной информации о потреблении теплоэнергоресурсов;

- снижение затрат за счет более точного контроля теплоэнергоресурсов и принятия оптимальных организационно-технических мероприятий по управлению производством;

- возможность передачи данных о параметрах технологического процесса котельной с оператора на существующее в коммерческой службе, с помощью модемов по двухпроводной выделенной линии, а так же на начальника котельной.

При этом система реализует следующие основные технологические операции:

- контроль параметров технологического процесса существующих узлов;

- контроль параметров технологического процесса, вновь устанавливаемых узлов;

- диспетчерский контроль хода технологических процессов всех узлов.

Система контролирует ход технологического процесса в автоматизированном режиме непрерывно в реальном времени.

Рассмотрим основные задачи, связанные с построением системы регулирования водогрейной котельной посёлка Майский. Задачей системы автоматического регулирования водогрейного котла является поддержание температуры воды на выходе из котла в соответствии с принятым температурным графиком, определяющим зависимость температуры отпускаемой воды потребителю от температуры наружного воздуха [2]. Регулирование осуществляется изменением подачи топлива в топку котла. При качественном способе регулирования температуры воды на выходе из котла определяет его теплопроизводительность [3].

По каналу регулирования «изменение топлива - изменение температуры воды» прямоточные водогрейные котлы характеризуются значительной инертностью. Так, например, постоянная времени изменения температуры воды котла при возмущении топливом составляет 17 минут. Вследствие значительной инертности этого контура оказалось, что заданную точность поддержания температуры воды можно обеспечить, ступенчатый способ регулирования подачи топлива, путем включения или отключения горелок.

Для котельных, являющихся основным источником теплоснабжения, наибольшее применение получила тепловая схема с рециркуляционными насосами (графическая часть, лист 1).

На этом чертеже изображена схема системы автоматического регулирования котельной. Обратная вода из теплосети сетевым насосом 1 подается в котел 2. Часть горячей воды после котла рециркуляционным насосом 3 подмешивается к питательной воде. Рециркуляция части котловой воды с выхода на вход позволяет поддерживать температуру питательной воды не ниже допустимого значения, определяемого точкой росы, а также обеспечивает пропуск необходимого количества воды через котел. Режим работы котлов ведется по своему графику температур, который отличается от графика теплосети. Минимальная температура котельной воды обуславливается нормальной работой вакуумных деаэраторов и равновесия .

Снижение температуры подающей воды в теплосеть до расчетного значения производится путем подмешивания к котловой воде некоторой части обратной воды из теплосети. Подмешивание воды производится через перемычку 4.

Температура питательной воды поддерживается регулятором 5, воздействующим на изменение расхода воды через линию рециркуляции. Регулирование температуры воды в теплосети в соответствии с заданным графиком осуществляется регулятором 6, получающим импульсы по температуре прямой сетевой воды и по температуре наружного воздуха. Автоматической системой управления принято называть совокупность управляемого объекта и автоматического управляющего устройства, взаимодействующих между собой. Состояние управляемого объекта определяется рядом переменных, характеризующих как воздействие на объект внешней среды и управляющего устройства, так и протекание процессов в самом объекте. Воздействия, выражающие влияние на объект внешней среды, называются возмущающими; воздействия, вырабатываемые управляющим устройством - управляющими. Состояние объекта оценивается по выходным контролируемым переменным, которые зависят от воздействий на управляемый объект. В реальных системах возмущения носят случайный характер и предопределяют случайное изменение выходных переменных. Управляемыми переменными могут быть выходные контролируемые величины или комплексные, непосредственно неконтролируемые величины, зависящие от состояния объекта.

Тепловые объекты управления, как правило, являются непрерывными физическими системами, а автоматическое управляющее устройство или регулятор могут быть как непрерывными, так и дискретными. В зависимости от вида применяемого управляющего устройства или автоматического регулятора дискретные системы подразделяют на релейные, импульсные и цифровые [4].

1.5 Выводы по разделу 1

В данном разделе рассмотрены основные задачи, связанные с построением системы регулирования водогрейной котельной посёлка Майский. Система автоматического регулирования водогрейного котла, позволяет поддерживать температуру воды на выходе из котла в соответствии с принятым температурным графиком, а также контролировать параметры технологического процесса существующих узлов.

2. ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

2.1 Структура автоматизированной системы и организация информационного обмена

Предлагается следующая структура комплекса технических средств системы (графическая часть, лист 2). Она состоит из четырёх уровней (рисунок 1): уровень полевых приборов; уровень базовой автоматики и технологической визуализации; уровень сбора информации; информационный уровень цеха [5].

Рисунок 1 Структурная схема комплекса технических средств систем

Оборудование полевого уровня территориально размещается непосредственно в помещении котельной вблизи трубопроводов. Оборудование уровня базовой автоматики и технологической визуализации территориально размещается в помещении котельной в электротехническом щите. Оборудование уровня сбора информации и информационный уровень размещается в операторской. В состав основного оборудования информационного уровня входят: сервер базы данных c установленным программным обеспечением, компьютер автоматизированного рабочего места оператора, источники бесперебойного питания, настольные VDSL-модемы для передачи данных, коммутатор, принтер. Информационный обмен между теплоэнергоконтроллерами «Тэкон-17» и сервером базы данных организован по протоколу ЗАО ИВП «Крейт» [6]. Физический уровень RS-485. Преобразование интерфейсов осуществляется с помощью адаптера RS-485/232 производства ЗАО ИВП «Крейт». Информационный обмен между сервером базы данных и АРМ оператора, а также АРМ начальника котельной организован по высокоскоростной сети передачи данных Ethernet.

Информационный обмен между АРМ оператора и АРМ коммерческой службы организован по высокоскоростной сети передачи данных Ethernet с помощью VDSL - модемов.

Электропитание технических средств системы осуществляется от промышленной сети 220В, 50Гц. Сервер базы данных и диспетчерский компьютер системы обеспечиваются аварийным электропитанием при помощи ИБП.

2.2 Выбор оборудования для системы регулирования водогрейной котельной посёлка Майский

Рассмотрим существующее оборудование. Следует отметить, что в котельной используются следующие узлы контроля технологического процесса теплоэнергоресурсов: узел контроля тепловой энергии на ГВС; узел контроля технической воды; узел контроля тепловой энергии теплофикации на завод. В соответствии с установленным оборудованием (таблица 2) осуществим выбор планируемого к установке нового оборудования (таблица 3), участвующего в построении автоматизированной системы котельной. Схема внутренних электросетей котельной приведена в графической части, лист 3.

Таблица 3 Оборудование системы регулирования водогрейной котельной

Наименование оборудования	Количество, шт
Теплоэнергоконтроллер «ТЭКОН-17»	7
Контроллер «Ремикон-130»	1
Исполнительный механизм «МЭО-3»	1
Комплект платиновых термометров сопротивления для измерения разности температур «КТСПР 0001»	2
Термоприобразователь сопротивления платиновый «Метран-206»	6
Датчик давления «Метран 43ДИ-3153-01»	10
Датчик расхода коррекционный ультразвуковой «ДРК-С»	1
Преобразователь расхода вихревой «Метран 300ПР-100-0,01-01-ОП»	3
Преобразователь расхода вихреаккустический «Метран-300ПР-80-0,01-01-ОП»	1
Компьютер	1
Принтер	1
Блок бесперебойного питания	1
Программное обеспечение ПО ЗАО ИВП«Крейт»	1

При реализации системы предполагается максимально использовать приборы, устройства и агрегаты имеющиеся в наличии на предприятии: многофункциональный микропроцессорный контроллер «Ремиконт Р-130»; механизм исполнительный электрический однооборотный постоянной скорости «МЭО»; пускатель бесконтактный реверсивный «ПБР-3» [7].

2.3 Назначение составных частей контроллера

Опишем основные составляющие предлагаемой автоматизированной системы, представленные в таблице 3.

Блок контроллера «БК-1» является основным блоком «Ремиконта Р-130» и осуществляет прием аналоговых и дискретных сигналов, формирование необходимых управляющих воздействий, вывод аналоговых и дискретных сигналов, контроль параметров на встроенных цифровых индикаторах и осуществление функций оперативного управления с помощью встроенных на передней панели клавиш. Пульт настройки «ПН-1» предназначен для программирования блока контроллера и контроля настроечных параметров. Пульт подключается к блоку «БК-1» с помощью разъема. Блок питания «БП-1» предназначен для питания блока «БК-1» и вспомогательных блоков и для организации интерфейсных связей контроллеров в локальной сети «Транзит». Блок усилителей сигналов термопар «БУТ-10» служит для преобразования сигналов двух термопар в сигнал 0-5 мA для ввода в блок «БК-1». Блок усилителей сигналов термометров сопротивления «БУС-10» служит для преобразования сигналов двух термометров сопротивления в сигнал 0-5 мA для ввода в блок «БК-1». Блок усилителей мощности «БУМ-10» предназначен для умощнения четырех дискретных сигналов с помощью силовых герконовых реле. Блок переключения «БПР-10» служит для переключения входных и выходных цепей при реализации резервированных систем управления. Блок шлюза «БШ-1» служит для организации связи «БК-1» или нескольких «БК-1», объединенных в сеть с управляющей ЭВМ верхнего уровня или с другой группой «БК-1». Блок стирания «БСТ-1» предназначен для стирания перепрограммируемой памяти путем облучения ультрафиолетовыми лучами, а также для подзарядки аккумуляторов. В состав «Ремиконта Р-130» входят три вида клеммно-блочных соединителей «КБС», представляющих собой отрезок кабеля, с одной стороны которого припаяна клеммная колодка, с другой - вилка разъем «РП15» [8]. Кабель связывает между собой одноименные цепи клеммной колодки и разъема. В «КБС-1» имеется колодка на 8 клемм и разъем «РП15-9» на 9 контактов (девятый контакт свободен). В «КБС-2» установлена колодка на 24 клеммы (24-ая клемма свободна) и разъем «РП15-23» на 23 контакта. Все «КБС-3» отличаются от КБС-2 лишь тем, что на клеммной колодке распаяны нормирующие резисторы, необходимые для подключения входных аналоговых сигналов. С помощью перемычек для каждого из 8 входов индивидуально выбирается один из трех входных сигналов: 0-5, 4-20 мА, 0-10 В. При верхнем диапазоне 20 мА нижнее значение 0 или 4 мА выбирается программно с помощью алгоритма аналогового ввода. Не использование «КБС-3» требует применения нормирующих резисторов «РН-1», устанавливаемых на промклеммнике, для преобразования унифицированных сигналов в сигналы, воспринимаемые «БК-1». Межблочный соединитель «МБС» предназначен для организации соединения «БК-1» с «БП-1».

2.4 Назначение исполнительного механизма

Механизм исполнительный электрический однооборотный постоянной скорости «МЭО» предназначен для перемещения регулирующих органов в системах автоматического регулирования технологическими процессами в соответствии с командными сигналами автоматических регулирующих и управляющих устройств. Принцип работы механизмов заключается в преобразовании электрического сигнала поступающего от регулирующего или управляющего устройства во вращательное перемещение выходного вала. Механизмы «МЭО» выносные, устанавливаемые на специальных площадках вблизи арматуры и связанные с ней посредством системы тяг и рычагов.

Основными функциями являются: автоматическое или дистанционное перемещение рабочего органа; автоматический и дистанционный останов рабочего органа арматуры в любом промежуточном положении; позиционирование рабочего органа трубопроводной арматуры в любом промежуточном положении; ручное перемещение рабочего органа арматуры; формирование информационного сигнала о конечных и промежуточных положениях рабочего органа арматуры и динамике его перемещения.

Основными параметрами, определяющими типоразмер механизма, являются: номинальный крутящий момент на выходном валу в 630 Нм; номинальное значение полного хода выходного органа 0,25 об; номинальное значение времени полного хода выходного вала в 25 с.

Механизм состоит из следующих основных узлов: электродвигатель - 4АИР56А4; редуктор - основной узел, к которому присоединяются все остальные узлы; блок сигнализации положения - предназначен для преобразования положения выходного вала механизма в пропорциональный электрический сигнал, либо изменение активного или реактивного сопротивления в зависимости от типа датчика сигнализации или блокирования в крайних или промежуточных положениях выходного вала; привод ручной - предназначен для перемещения выходного вала механизма, осуществляется вращением ручки ручного привода.

2.5 Программные средства системы контроля

Программное обеспечение (ПО) контроллерного уровня представляет собой ПО ЗАО ИВП «Крейт» с реализованными в нем алгоритмами расчета параметров энергоносителей. Интерфейс оператора системы представляет собой комплект видео кадров, разработанных в соответствии с технологическими схемами, на которых отображается ход определенных технологических процессов, с сигнализацией о возникновении аварийных ситуаций. Каждый из видео кадров подсистемы представляет собой совокупность экранного изображения мнемосхемы участка технологического процесса с расположенными на нем контрольными точками параметров оперативного контроля и узлами телеиндикации [9].

Таким образом, предлагается реализовать интерфейс оператора автоматизированной системы в ПО «Искра».

2.6 Выводы по разделу 2

В данном разделе рассмотрена структура автоматизированной системы. Произведён выбор оборудования для системы регулирования водогрейного котла, узлов контроля технологического процесса и интерфейса оператора автоматизированной системы.

3. РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Основные задачи системы автоматического регулирования

От качества работы регуляторов зависит качество теплотехнических процессов происходящих в водогрейном котле, что в свою очередь влияет на производительность котельной установки, на ее КПД, а также на безопасную эксплуатацию котла [10]. В данной работе было предложено разработать узел регулирования поддержания температуры горячей воды в соответствии с температурным графиком основанного на базе микропроцессорной техники (контроллера, ПК). В задачу этой части ВКР входит: выбор закона регулирования; выбор структурной схемы регулирования; описание всех узлов, участвующих в регулировании параметра в операторной форме; определение передаточных коэффициентов и постоянных времени этих узлов; расчет статических характеристик узла регулирования; моделирование регулятора с помощью прикладной программы «STRATUM»; определение динамических показателей регулятора; выбор контроллера и программного обеспечения, с помощью которых реализуется данный регулятор; описание регулятора с помощью данной программы; сравнительный анализ предложенной системы регулирования требуемого параметра по отношению к существующей системе регулирования.

3.2 Построение контуров регулирования

В автоматизации водогрейного котла для решения задач регулирования используется регулирующая модель контроллера. В каждом контроллере можно реализовать до четырех независимых или взаимосвязанных контуров регулирования. В каждом контуре регуляторы могут быть одного или разных типов, никаких ограничений на сочетание видов регулятора не накладывается [11].

Регулятор в каждом контуре может иметь аналоговый или импульсный выход, быть локальным или каскадным, иметь ручной, программный или внешний задатчик, иметь или не иметь встроенные средства оперативного управления, выполнять стабилизацию параметра или регулировать соотношение параметров, иметь звенья статической динамической коррекции, иметь статическую или динамическую балансировку.

3.2.1 Импульсный стандартный регулятор

На рисунке 2 показан пример стандартного импульсного регулятора с ручным задатчиком и средствами ручного оперативного управления, который можно считать аналогом регуляторов типа РП-4, Р27, РС29 и пр.

Рисунок 2 Стандартный импульсный регулятор

В процессе автоматизации водогрейного котла сигнал задания поступает на вход алгоритма импульсного регулирования (РИМ), на второй вход этого алгоритма поступает сигнал от датчика (через алгоритм ввод аналоговый группы А (ВАА)). Выходной сигнал алгоритма РИМ через алгоритм ручное управление (РУЧ) и алгоритм импульсный вывод группы А (ИВА) поступает на импульсный выход контроллера. Сигнал, поступающий на вход задание «здн» этого алгоритма, всегда выводится на верхний цифровой индикатор «задание» лицевой панели контроллера независимо от того, к выходу какого алгоблока подключается вход «здн». Однако, если сигнал задания нужно не только контролировать, но и изменять вручную, вход «здн» должен обязательно подключаться к первому выходу алгоритма задание (3ДН). На нижний цифровой индикатор избирательного контроля в положении вход «вх», «e», выход «вых» поступают сигналы, приходящие на входы соответственно вход «вх», вход «е», вход «вр» алгоритма оперативный контроль контура регулирования (ОКО). Вход «вх» подключается к сигналу, представляющему регулируемый параметр. Вход «е» обычно связывается с выходом Уе алгоритма РИМ, на котором формируется сигнал рассогласования. Вход «вр» (выход регулятора) подключается к выходу алгоблока, характеризующего выходной сигнал регулятора. Сигнал на этом входе поступает не только на нижний цифровой индикатор в положении «вых», но также на шкальный индикатор. По шкальному индикатору ориентировочно (с разрешающей способностью 5 %) контролируется выходной сигнал регулятора независимо от того, какой сигнал в данный момент выводится на цифровой индикатор избирательного контроля. Для регулятора, представленного на рисунке 2, выходным сигналом считается сигнал на выходе датчика положения исполнительного механизма, который заведен на второй вход алгоритма ВАА, однако в принципе это может быть какой-либо другой сигнал. Если вход «вр» алгоритма ОКО может подключаться к выходу разных алгоблоков (в зависимости от того, какой сигнал считается выходным), то вход «руч» алгоритма ОКО обязательно должен подключаться к первому выходу алгоритма РУЧ. Только в этом случае с помощью клавиш лицевой панели можно менять режим управления и управлять исполнительным механизмом вручную.

Алгоритм ОКО имеет два настроечных входа W0 и W100. На этих входах обычно задаются константы, определяющие технические единицы, в которых контролируются сигналы задания, входа и рассогласования (для всех трех сигналов технические единицы одинаковы). Каждая из констант на входах W0 и W100 может задаваться в диапазоне от 1999 до 9999 с шагом 1, Константа на входе W0 определяет число, соответствующее 0% сигнала задания, входа и рассогласования, а константа на входе W100 число, соответствующее 100% этих сигналов. Выходной сигнал, как по цифровому, так и по шкальному индикатору всегда контролируется в процентах независимо от значений W0 и W100 .На выходе алгоритма РИМ формируется сигнал рассогласования Уе =Хздн-Хвх. Если регулируемый параметр Хвх меньше сигнала задания Хздн, то сигнал Уе, положителен, в противном случае отрицателен. При контроле сигнала рассогласования обычно принято знаку этого сигнала приписывать противоположный смысл. Поэтому сигнал на входе «е» алгоритма ОКО инвертируется.

3.2.2 Регулятор соотношения

В выбранном контроллере по схеме строится также регулятор соотношения, в котором сигнал задания используется в качестве сигнала смещения корректирующих сигналов (рисунок 3). Смещение может быть получено и без алгоритма ЗДН путем задания константы или коэффициента непосредственно на первом входе алгоритма регулирование аналоговое (РАН) (РИМ). В этом случае вход «здн» алгоритма ОКО может быть подключен к тому сигналу, который в регуляторе соотношения выполняет функцию задания. Если смещения не требуется, входная часть регулятора соотношения выполняется по схеме рисунок 4.



Рисунок 3 Введение корректирующих сигналов

Рисунок 4 Входная часть регулятора соотношения

3.2.3 Программный регулятор

Рассмотрим реализацию программного регулятора в контроллере. Для построения программного регулятора, используется специальный алгоритм программного задатчика (ПРЗ). В одном, контуре может быть реализовано несколько программ, каждая из которых строится на своем алгоритме ПРЗ. Все программные задатчики подключаются непосредственно (без промежуточных алгоблоков) к входам алгоритма ЗДН, а первый выход алгоритма ЗДН подключается непосредственно к входу «здн» алгоритма ОКО (рисунок 5). При таком включении с помощью клавиш лицевой панели контроллера можно оперативно выбирать номер требуемой программы (если их несколько), пускать, останавливать и сбрасывать программу, принудительно переходить к следующему участку программы. По цифровым индикаторам можно контролировать текущий сигнал задания, номер текущего участка программы и время, оставшееся до окончания текущего участка. Все команды по управлению программой действуют одновременно на все программные задатчики данного контура, а контроль ведется избирательно для одной выбранной программы. В схеме рисунок 5 программа, дойдя до конца, останавливается, при этом сигнал задания, формируемый программой, замораживается. С помощью параметра на четвертом входе алгоритма ПРЗ можно задать требуемое число повторений программы. Оставшееся число повторений можно контролировать по цифровому индикатору в положении входа «z». Так как в этом случае сигнал на входе «z» является числовым, на девятом входе алгоритма ОКО задается константа N = 9.

Рисунок 5 Входная часть программного регулятора с двумя программами

При необходимости программу можно зациклить, Для этого используются управляющие входы алгоритма ПРЗ (рисунок 6). На входе «пуск» задается константа в виде логической 1, а вход «сброс» соединяется с выходом «конец программы». При таком включении программа, дойдя до конца, будет автоматически сброшена и затем снова пущена.



Рисунок 6 Зацикливание программы

В описанных выше вариантах включения программного задатчика предполагается, что управление программой ведется от клавиш лицевой панели. Однако программой можно управлять также и с помощью дискретных сигналов, сформированных алгоблоками контроллера или поступивших на его дискретные входы, а также переданных по сети Транзит.

В качестве примера на рисунок 7 показана схема управления программой с помощью внешних по отношению к контроллеру клавиш. Если требуется пуск, останов и сброс программы, используются три клавиши. Если необходим только пуск и сброс, используются две клавиши «пуск» и «сброс».

Рисунок 7 Управление программой от внешних команд

Схема рисунок 7 может сочетаться со схемой рисунок 5. При таком сочетании программой можно управлять как от внешних команд, так и от клавиш лицевой панели, причем в каждом случае выполняется последняя поступившая команда.

При программном регулировании часто возникает необходимость формировать дискретные сигналы, фиксирующие момент перехода программы к определенным участкам.

Для этого удобно использовать алгоритм сравнения чисел (СЧИ), который включается по схеме рисунок 8. В этой схеме алгоритм СЧИ настроен таким образом, что при достижении программой второго, пятого и седьмого участка формируются дискретные сигналы соответственно на первом, втором и третьем выходах контроллера.

Рисунок 8 Формирование дискретных выходных сигналов участков программ

3.2.4 Балансировка задатчика

Контур регулирования в контроллере может работать без балансировки ручного задатчика, со статической и динамической балансировками. Ручной задатчик балансируется (если балансировка предусмотрена) при любом отключении контура (например, при переходе; в режим ручного или дистанционного управления, при отключении с помощью алгоритма переключения и т.п.), а также при установке режима внешнего или программного задания. Если балансировка отсутствует и установлен режим ручного задания, то при отключении контура сигнал ручного задания, установленный в алгоритме ЗДН, не изменяется. При статической балансировке сигнал ручного задания отключенного контура отслеживает входной сигнал, контура, т.е. автоматически изменяется таким образом, что при любом изменении входного сигнала Хвх, сигнал рассогласования Уе, на выходе алгоритма РАН.

РИМ остается равным нулю. В этом режиме ручное изменение задания блокируется. После включения контура последнее значение сигнала ручного задания запоминается и затем сигнал задания может изменяться вручную. При динамической балансировке и отключении контура сигнал задания также отслеживает входной сигнал, однако после включения контура сигнал задания плавно возвращается к установленному вручную значению сигнала ручного задатчика. Динамическая балансировка допускает ручное изменение сигнала задатчика как в отключенном, так и во включенном контуре, причем в обоих случаях вручную задается сигнал, к которому придет выходной сигнал алгоритма ЗДН после окончания процесса балансировки. Если установлен режим программного или внешнего задания, то при наличии балансировки узел ручного задания отслеживает текущее значение сигнала задания на выходе алгоритма 3ДН. После перехода в режим ручного задания при статической балансировке последнее значение сигнала задания запоминается, а при динамической балансировке плавно возвращается к ранее установленному сигналу ручного задания. Вид балансировки задается с помощью дискретных сигналов на входе алгоритма ЗДН. В качестве примера на рисунке 9 показана входная часть регулятора с динамической балансировкой.



Рисунок 9 Динамическая балансировка задатчика: а - функциональная схема; б - изменение сигнала задания. 1 - автоматический режим; 2 - ручной режим; 3 - изменение сигнала с заданной скоростью

Конфигурируя нужным образом входы алгоритма ЗДН, определяющие вид балансировки, можно автоматически устанавливать или отменять балансировку или переходить с одного вида балансировки на другой. В качестве примера на рисунке 10 показана схема регулятора, у которого в режиме ручного задания балансировка отсутствует, а при переходе в режим программного задания устанавливается одновременно и статическая и динамическая балансировка. В такой схеме при программном регулировании за счет статической балансировки ручной задатчик отслеживает сигнал программного задатчика, и при переходе в режим ручного задания последнее значение задания запоминается. При переходе на программное задание за счет динамической балансировки сигнал задания Хздн плавно изменяется, стремясь к значению сигнала программного задатчика (рисунок 10 б).



Рисунок 10 Балансировка задатчика при программном задании: а - функциональная схема; б - изменение сигнала задания: 1 - режим программного задания (статическая балансировка); 2 - ручной режим (балансировка отключена); 3 - изменение сигнала с заданной скоростью

3.2.5 Автоподстройка

В контроллере автоподстройка заключается в автоматическом изменении параметров настройки с помощью каких-либо сигналов. В «Ремиконте Р-130» любой параметр настройки большинства алгоритмов может устанавливаться либо вручную, либо автоматически подстраиваться (редкие исключения оговорены в описании алгоритмов). Для автоподстройки требуемый настроечный вход алгоритма по конфигурации соединяется с выходом алгоритма, который формирует сигнала автоподстройки. В качестве примера на рисунке 11 показана схема автоподстройки регулятора, у которого коэффициент пропорциональности (Кп) растет при увеличении рассогласования в соответствии с зависимостью, представленной на рисунке 11 б. Требуемая функция автоподстройки реализуется с помощью алгоритма кусочно-линейного преобразования (КУС).

Рисунок 11 Автоподстройка коэффициента пропорциональности: а - функциональная схема; б - график изменения Кп

Особенностью используемой схемы является то, что в ней вход алгоритма РАН (РИМ), имеющий вид «коэффициент пропорциональности», соединен с выходом алгоритма КУС, имеющим вид «аналоговый сигнал». В связи с этим при установке констант на аналоговых входах 03; 05; 07; 09 алгоритма КУС, задающих ординату в точках излома характеристики, необходимо учитывать связь между коэффициентом пропорциональности Кп и аналоговым сигналом Х, а именно: Кп=0,64Х.

3.3 Технологическое программирование контроллера

Технологическое программирование представляет собой процесс в ходе которого, с помощью пульта настройки «ПН-1» из библиотеки алгоритмов, зашитой в постоянной памяти (ПЗУ) контроллера, извлекается нужные алгоритмы для построения импульсного регулятора и помещаются в оперативную память (ОЗУ), там же эти алгоритмы объединяются в систему заданной конфигурации и в них устанавливаются параметры настройки [1].

В соответствии с правилами конфигурирования, конфигурация 00.00 означает, что на данном входе задается константа, а 0.01 - коэффициент. Все другие обозначения (например 05.01) задают номер алгоблока - источника (первая двухзначная цифра) и номер его выхода (вторая двухзначная цифра).

3.3.1 Внешние сигналы и аппаратура ввода-вывода

Контроллер рассчитан на прием и выдачу двух видов сигналов:

- аналоговых;

- дискретных.

Формирование импульсных сигналов на выходе импульсного регулятора выполняется программно и эти сигналы поступают на исполнительные механизмы через дискретные выходы контроллера. Аппаратура ввода преобразуют аналоговые и дискретные сигналы, поступающие на вход контролера, в цифровую форму. Аппаратура вывода осуществляет обратное преобразование.

Внешние цепи подключаются к контролеру через два независимых канала А и Б. Контроллер может использовать только цепи группы А или цепи обеих групп. При алгоритмической обработке сигналы групп А и Б могут «замешиваться» в один общий массив информации. Все аналоговые и дискретные входы и выходы контроллера полностью универсальны в таком смысле, что в исходном состоянии они не «привязаны» к каким-либо функциям контроллера. Такая привязка осуществляется пользователем и реализуется в процессе программирования. Исключением являются два аварийных выхода, сигналы, на которых свидетельствуют о неисправности контроллера. Эти выходы автоматически задействуются, когда средства самодиагностики обнаруживают отказ аппаратуры или сбой ОЗУ.

3.3.2 Аппаратура оперативного управления и настройки

Аппаратура оперативного управления рассчитана на оператора-технолога. Лицевая панель имеет набор клавиш, ламповых и цифровых индикаторов, с помощью которых оператор-технолог «ведет» технологический процесс: контролирует его параметры, изменяет режимы управления, меняет уставки, пускает, останавливает и сбрасывает программу и т. д. Вид и функции лицевой панели зависят от модели контроллера: лицевая панель регулирующей модели ориентирована на задачи автоматического регулирования, логической модели - на задачи логико-программного управления. Пульт настройки - это инструмент оператора-наладчика. С помощью пульта настройки можно программировать контроллер, выполнять настройку его параметров, а также контролировать сигналы во внутренних точках виртуальной структуры. В общем виде лицевую панель и пульт настройки можно рассматривать как интерфейс с человеком. В контроллере имеется один интерфейсный канал. Этот канал имеет приемо-передатчик, преобразующий входной поток последовательных бит информации в цифровую информацию, представленную в виде байтов, а также осуществляющий обратное преобразование. Принимаемые и передаваемые сообщения хоть и являются цифровыми, но они могут «представлять» любые сигналы, обрабатываемые контроллером: аналоговые, временные, числовые и т.д. Все сигналы передаются через интерфейс последовательно, но скорость их передачи достаточно велика для того, чтобы для процессов среднего и низкого быстродействия можно было считать, что все сигналы передаются одновременно.

3.4 Описание проектируемой схемы регулирования

Для создания системы регулирования предлагается применить микропроцессорный контроллер. Особенностью проектируемой системы регулирования является то, что аналоговые сигналы, поступающие с датчиков, преобразуются в цифровую форму при помощи АЦП контроллера. Далее все вычисления производятся в процессоре контроллера в цифровой форме, а их результаты подаются на выход этого контроллера для управления объектом регулирования. Вся информация, получаемая с датчиков и преобразованная в АЦП, подается в процессор с определенной частотой квантования fкв. Период квантования (период дискретизации сигнала) устанавливается на основании теоремы Котельникова-Шеннона: «Для того чтобы передаваемая в виде импульсов информация могла быть воспроизведена без существенных искажений, наивысшая частота гармоник со значимыми амплитудами в спектре входного сигнала не должна превышать половины частоты прерывания частоты следования импульсов».

Условия допустимости сведения импульсной системы к непрерывной:

f ? fпр,

где fпр - наибольшая частота сигнала, пропускаемого непрерывной частью системы (Гц).

Для нашего случая наименьшая постоянная времени у датчика обратной связи (датчика, измеряющего подачу воздуха) Тдат = 0,005 сек., тогда период квантования определяется как:

Ткв = Тдат/3 = 0,005/3 = 0,0017 секунды,

а частота прерывания

f = 1/Ткв = 1/0,0017 = 588 Гц.

Задаваясь этими параметрами можно рассматривать проектируемую схему регулирования, как непрерывную.

Также этими данными нужно руководствоваться при выборе контроллера.

3.5 Выбор закона регулирования, проектирование функциональной и структурной схем

Для того чтобы реализовать проектируемую схему (рисунок 12), необходимо задаться таким законом регулирования, при котором статические и динамические показатели точности регулирования соответствовали технологическим нормам исследуемого объекта. Наиболее универсальным является ПИД-регулятор, так как он состоит из П, И и Д-регуляторов, параллельно включенных друг с другом.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рисунок 12 Проектируемая функциональная схема узла регулирования

Контроллер состоит из следующих элементов: АЦП - аналого-цифровой преобразователь, предназначен для ввода аналогового сигнала, поступающего с датчика, а также для преобразования его в цифровую форму; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь, предназначен для вывода полученной информации, преобразуя ее из цифровой формы в аналоговую; ДВ - дискретный выход (постоянное напряжение 24В) формирует выходной сигнал с контроллера для управления исполнительным механизмом; элементы, заданные с помощью программы в цифровой форме.

Для построения структурной схемы (рисунок 13) заменим элементы функциональной схемы на одно обобщенное нелинейное звено. Будем рассматривать структурную схему узла регулирования как непрерывную (графическая часть, лист 4).

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рисунок 13 Структурная схема узла регулирования

Трехфазный асинхронный двигатель (напряжение питания 380 В) представляет собой инерционное звено, передаточная функция которого выражается в виде:

,

где Кдв - передаточный коэффициент звена; Тдв - постоянная времени этого звена.

,

где щном=144.4 рад/с - номинальная частота вращения двигателя; U=380 В - напряжение питания двигателя.

Кдв= 144.4/380 = 0,38 рад/В•с;

,

где J = 0.0019 Н•м2 - момент инерции двигателя;

Sн = 0.08 - номинальное скольжение; Мн = 0.39 н•м - номинальный момент двигателя.

Тдв = 0.0019•0.08•144.4/0.39 = 0.056 с.

Редуктор представляет собой интегрирующее звено, передаточная функция которого описывается в виде:

,

где Кред - передаточный коэффициент редуктора.

,

где щред = 0.0628 рад/с - выходная частота вращения редуктора.

Кред = 0,0628/144,4 = 4,349•10-4.

Объект регулирования. При помощи этого устройства регулируется подача воды от котла в обратную магистраль. Объект регулирования представляет собой инерционное звено, передаточная функция которого:

,

где Коб - коэффициент передачи объекта; Тоь - постоянная времени.

,

где б - угол поворота клапана; Дt - температура воды перед котлом.

По режимной карте определим, что при б = р/4 рад, Дt = 65Co, тогда:

Коб = 65•4/3,14 = 82,8 Со/рад.

Постоянную времени объекта определили экспериментальным путем Тоб=0,5с.

Измерительный датчик. Этот датчик измеряет температуру воды до котла, преобразует его в токовый сигнал и передает этот сигнал на вход регулятора. Датчик представляет собой инерционное звено с очень малой постоянной времени и имеет передаточную функцию:

,

где Кдат - коэффициент передачи датчика; Тдат = 0,005 с - постоянная времени датчика.

,

где Imax= 5 мА - максимальный выходной ток датчика; Дtmax= 65 Со - температура воды до котла в оптимальном режиме.

Кдат = 5•10-3/150 = 0,033 мА/Со.

Нелинейное звено. Оно представляет собой трехпозиционное реле, имеющего зону нечувствительности и зону возврата, с выходным трехфазным (реверсивным) напряжением 380 В. Характеристика нелинейного звена показана на рисунке 14.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рисунок 14 Характеристика нелинейного звена: Д - зона нечувствительности; Дв - зона возврата; U - выходное напряжение

Для нашего случая, руководствуясь точностью регулирования, были приняты следующие параметры: Да = 0,02 мА; Дв = 0,05 мА.

Параметры ПИД-регулятора найдем экспериментальным путем при моделировании системы с помощью программы «STRATUM».

3.6 Моделирование узла регулирования для поддержания температуры горячей воды в соответствии с температурным графиком с помощью программы «STRATUM»

Моделирование системы произвел с помощью программы «STRATUM» - это программное средство, позволяющее на основе простейших функциональных элементов создавать модели без знания языков программирования, что значительно сокращает временные затраты. Современный метод разработки систем управления следующий. На стадии формулировки технического задания и рабочего проектирования намечаются возможные варианты информационных структур. Допускается формулировка в общем виде, используются приближенные численные параметры. На стадии ввода системы в действие осуществляется оптимизация принятых вариантов и выбор наилучшего варианта, а также выявляются пути возможного совершенствования системы. Такая концепция проектирования лучше всего реализуется именно для систем, построенных на базе управляющих микро-ЭВМ, так как процесс изменения алгоритмов может происходить непосредственно в процессе работы системы, а подпрограммы оптимизации и идентификации можно встраивать в математическое программное обеспечение.

В представленной работе использовалась часть «MATHEMATICAL STRATUM». Свойства объекта записываются в виде математической, условно-символьной, словесной и натурально-графической модели. Модель при этом является комплексной и представляет собой целостное образование. Синтез системы в среде «STRATUM» предполагает создание моделей элементов объекта, составление схемы и наблюдение за работой системы. Сначала создается библиотека элементов-имиджей. Пользуясь библиотеками объектов, собирается схема из имиджей, которые устанавливаются на рабочее поле в порядке прохождения через них сигналов. Связь между элементами осуществляется присвоением входным переменным одних имиджей значений выходных переменных других имиджей. Результаты отражаются в числовом или графическом виде.